JP2012156175A - Fiber laser light source device and wavelength conversion laser light source device using the same - Google Patents

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隆史 山崎
Kiminori Mizuuchi
公典 水内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber laser light source device that can output stable pulse light from start of pulse light emission.SOLUTION: A fiber laser light source device has: a laser resonator provided with a fiber containing a laser active material and fiber gratings provided at both sides of the fiber; an excitation laser light source for emitting excitation light to one end of the laser resonator; a laser driving unit for supplying current to output excitation light from the excitation laser light source; and a laser controller for controlling the current to be output from the laser driving unit. The laser controller supplies first current larger than threshold current for making the laser resonator output laser light just before pulse light is output from the laser resonator, and after the first current is stopped and then a break period is provided, the laser controller supplies the excitation laser light source with second current larger than the first current to output the pulse light.

Description

本発明は、パルス発光開始時の初期パルスから安定したパルス光を出力できるファイバレーザ光源装置およびそれを用いた波長変換レーザ光源装置に関するものである。   The present invention relates to a fiber laser light source device capable of outputting stable pulsed light from an initial pulse at the start of pulse light emission, and a wavelength conversion laser light source device using the same.

1μm帯の波長の光を発生するレーザ光源には、Nd:YAGレーザ、Nd:YVOレーザ等の固体レーザが主流であり、これらを用いたレーザ加工機やこれらの光を基本波とした可視光源などが実現されている。ところが、大出力のレーザ出力を得るためには、レーザ媒質の冷却が必要となり装置が大型になる。そこで、簡単な冷却で小型化が実現可能なW級の高出力を持つファイバレーザ光源が求められている。 Solid-state lasers such as Nd: YAG laser and Nd: YVO 4 laser are mainly used as laser light sources that generate light having a wavelength of 1 μm band, and laser processing machines using them and visible light using these lights as fundamental waves. A light source is realized. However, in order to obtain a large laser output, the laser medium needs to be cooled, and the apparatus becomes large. Therefore, there is a demand for a fiber laser light source having a W-class high output that can be reduced in size by simple cooling.

このファイバレーザ光源の基本動作について説明する。レーザ活性物質を含むファイバの両端側にファイバグレーティングを設けて一対の反射ミラーを形成する共振器を作り、励起用レーザ光源からの励起光をファイバの一端から入射する。この励起光はファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収されると、レーザ活性物質が自然発光を発生する。ファイバ内部で発生した自然発光は、共振器の中を何度も反射して往復する間に、位相のそろった光となり、レーザ活性物質により増幅されて光強度が増加する。同時に、ファイバグレーティングにより波長選択されるので、波長のそろったレーザ発振となる。なお、ファイバとファイバグレーティングとは、接続部で融着接続されており、励起用レーザ光源は電流駆動される。   The basic operation of this fiber laser light source will be described. A fiber grating is provided on both ends of the fiber containing the laser active material to form a resonator that forms a pair of reflecting mirrors, and excitation light from the excitation laser light source is incident from one end of the fiber. When this excitation light is absorbed by the laser active material contained in the fiber, the laser active material generates spontaneous emission. Spontaneous light emission generated inside the fiber is reflected in the resonator many times and goes back and forth, and becomes light with the same phase, and is amplified by the laser active material to increase the light intensity. At the same time, since the wavelength is selected by the fiber grating, laser oscillation with a uniform wavelength is obtained. The fiber and the fiber grating are fusion-bonded at the connection portion, and the excitation laser light source is driven by current.

高いピークパワーを持つパルスレーザ光源であれば、穴あけやマーキングなどのレーザ加工、高効率波長変換などさらに用途が広がる。そのため、Qスイッチを利用したファイバレーザによるパルス光発生装置がある。これは、内部に希土類をレーザ活性物質として添加したファイバの両端にファイバブラッググレーティング(以下、「FBG」とする)を設け、2つのFBG間でレーザ共振器を構成する。さらに共振器内に設けた過飽和吸収体よりレーザの過飽和吸収特性を利用してパルス発生が行われている。過飽和吸収特性によりQスイッチ動作が可能となり、モードロックを利用することでファイバレーザ光源の出力端から超短パルスレーザ光を発生させている(例えば、特許文献1を参照。)。   If it is a pulse laser light source with a high peak power, the application will further expand such as laser processing such as drilling and marking, and highly efficient wavelength conversion. Therefore, there is a pulsed light generator using a fiber laser using a Q switch. This is because a fiber Bragg grating (hereinafter referred to as “FBG”) is provided at both ends of a fiber to which a rare earth is added as a laser active material, and a laser resonator is formed between two FBGs. Furthermore, pulses are generated from the saturable absorber provided in the resonator by utilizing the saturable absorption characteristics of the laser. The Q-switch operation is enabled by the supersaturated absorption characteristics, and ultrashort pulse laser light is generated from the output end of the fiber laser light source by using mode lock (see, for example, Patent Document 1).

また、ファイバを用いた光源でパルス発光させる方法としては、変調された種光源をファイバアンプで増幅する方法がある。このような例として変調された種光源をファイバアンプで増幅する構成として、ファイバレーザ発振器(MO部)とファイバレーザ増幅器(PA部)とを直列に接続して一定出力の高出力パルス列を発生するファイバレーザ光源装置において、発振器と増幅器との励起開始のタイミングを工夫することにより、光パルスが発生する最初の段階から安定な一定出力の光パルス列が得られるとしている(例えば、特許文献2、及び3を参照。)。このような構成では、Qスイッチや増幅器など高価で複雑な光学構成が必要となり、大型で高価な装置となる。   Further, as a method of emitting light with a light source using a fiber, there is a method of amplifying a modulated seed light source with a fiber amplifier. In such an example, a modulated seed light source is amplified by a fiber amplifier, and a fiber laser oscillator (MO unit) and a fiber laser amplifier (PA unit) are connected in series to generate a high output pulse train with a constant output. In the fiber laser light source device, by devising the timing of the excitation start of the oscillator and the amplifier, a stable and constant output optical pulse train can be obtained from the first stage where an optical pulse is generated (for example, Patent Document 2 and 3). Such a configuration requires an expensive and complicated optical configuration such as a Q switch and an amplifier, resulting in a large and expensive device.

また、同様のファイバとこれを挟む1組のFBGとで構成されるファイバレーザ光源装置において、連続光出力時に励起用のレーザ光源の入力パターンを最適化して矩形状の光パルスの先頭にサージパルスを伴わないようにして安定な矩形状の光パルスを生成する技術が知られている(例えば、特許文献4を参照。)。このような構成により、サージパルスがないディスプレイや各種の分析などの用途に最適な安定な矩形状の光パルスを得ることができるとしている。さらに、励起用のレーザ光源を変調することで利得スイッチを利用したパルス発生できるため、複雑な光学構成が不要でシンプルな構成で安価な装置が実現できる。   Also, in a fiber laser light source device composed of a similar fiber and a pair of FBGs sandwiching the same, the input pattern of the pumping laser light source is optimized during continuous light output, and a surge pulse is added at the head of the rectangular optical pulse. There is known a technique for generating a stable rectangular light pulse without accompanying the above (see, for example, Patent Document 4). With such a configuration, it is possible to obtain a stable rectangular light pulse that is optimal for uses such as a display without a surge pulse and various types of analysis. Furthermore, since a pulse using a gain switch can be generated by modulating a laser light source for excitation, a complicated optical configuration is unnecessary, and an inexpensive device can be realized with a simple configuration.

特開2005−174993号公報JP 2005-174993 A 特開2007−35696号公報JP 2007-35696 A 特開2008−181943号公報JP 2008-181943 A 特開2007−142380号公報JP 2007-142380 A

しかしながら、従来の構成では、パルス発光開始から安定したパルス光を出力することができなかったことであった。パルス光とは、短時間の間に急峻な変化をする光であって、連続光出力よりも高いパワーの光を出力する。そのため、この高い光出力を得るためには、ファイバレーザ光源のレーザ共振器にエネルギーを急激に溜め込んで、このエネルギーが過飽和状態から、発振(励起)状態に遷移するときに、レーザ共振器に励起光を急激に注入しても、パルス発光開始から安定したパルス光を出力できなかった。   However, in the conventional configuration, stable pulsed light cannot be output from the start of pulsed light emission. The pulsed light is light that changes sharply in a short time, and outputs light having higher power than continuous light output. Therefore, in order to obtain this high optical output, energy is rapidly accumulated in the laser resonator of the fiber laser light source, and the laser resonator is excited when this energy transitions from the supersaturated state to the oscillation (excited) state. Even if light was injected rapidly, stable pulsed light could not be output from the start of pulse emission.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、本発明はパルス発光開始から安定したパルス光を出力することができるファイバレーザ光源装置を提供することが目的である。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fiber laser light source device that can output stable pulsed light from the start of pulsed light emission.

前記従来の課題を解決するために、本発明のファイバレーザ光源装置およびそれを用いた波長変換レーザ光源装置は、レーザ活性物質を含むファイバとその両端にファイバグレーティングを設けたレーザ共振器と、このレーザ共振器の一端に励起光を入射する励起用レーザ光源と、この励起用レーザ光源から励起光が出力するための電流を供給するレーザ駆動部と、このレーザ駆動部から出力する電流を制御するレーザ制御部と、を備え、前記レーザ制御部は、前記レーザ共振器からパルス光を出力する直前に、前記レーザ共振器がレーザ光を出力するための閾値電流より大きい第1の電流を与え、前記第1の電流を停止した後に休止期間を設けた後、パルス光を出力するための前記第1の電流より大きい第2の電流を前記励起用レーザ光源に与えるレーザ制御部と、から成ることを特徴としたものである。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, a fiber laser light source device of the present invention and a wavelength conversion laser light source device using the same include a fiber containing a laser active material, a laser resonator provided with fiber gratings at both ends thereof, An excitation laser light source that makes excitation light incident on one end of the laser resonator, a laser drive unit that supplies a current for outputting excitation light from the excitation laser light source, and a current output from the laser drive unit are controlled. A laser control unit, and the laser control unit gives a first current larger than a threshold current for the laser resonator to output laser light immediately before outputting the pulsed light from the laser resonator, After a stop period is provided after stopping the first current, a second current larger than the first current for outputting pulsed light is applied to the excitation laser light source. It is obtained by, comprising the, a laser control unit to provide.

本発明のファイバレーザ光源装置およびそれを用いた波長変換レーザ光源装置によれば、パルス発光開始から安定したパルス光を出力することができる。   According to the fiber laser light source device of the present invention and the wavelength conversion laser light source device using the same, it is possible to output stable pulsed light from the start of pulsed light emission.

利得スイッチを用いたパルス光発生の原理図Principle of pulsed light generation using a gain switch ファイバレーザ光源における励起光とパルス光発生の関係を示す図Diagram showing the relationship between excitation light and pulsed light generation in a fiber laser light source ファイバレーザ光源におけるパルス光発生を説明するモデル図Model diagram explaining generation of pulsed light in a fiber laser light source 本発明の実施例における光源装置の構成図Configuration diagram of a light source device in an embodiment of the present invention (a)本発明の実施例における光源装置に入力する電流波形を示す図(b)本発明の実施例における光源装置から出力する光出力波形を示す図(A) The figure which shows the electric current waveform input into the light source device in the Example of this invention (b) The figure which shows the optical output waveform output from the light source device in the Example of this invention 本発明の実施例における予備励起出力とパルス出力のばらつきとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the preliminary | backup excitation output and the dispersion | variation in pulse output in the Example of this invention (a)発光停止時間とパルス光出力の関係を示す図(b)発光停止時間と光遅延時間の関係を示す図(A) The figure which shows the relationship between light emission stop time and pulse light output (b) The figure which shows the relationship between light emission stop time and optical delay time 電流立ち上がり時間に対するパルス光出力特性の関係を示す図Diagram showing the relationship of pulsed light output characteristics to current rise time 本発明の実施の形態における励起光とパルス光発生の関係を示す図The figure which shows the relationship between excitation light and pulsed light generation in embodiment of this invention

(利得スイッチをファイバレーザ光源に用いる際に生じる問題)
まず、レーザにおける利得スイッチによるパルス光発生の原理について説明する。図1(a)に示すのはレーザ共振器の概略図であり、レーザ媒質202を2つのミラー204、205で挟みレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器に、外部から励起光201を入射して、レーザ発振した出力光203を得る。ファイバレーザ光源では、レーザ媒質202がドープファイバに相当し、ミラー204、205がファイバグレーティングに相当する。
(Problems that arise when using gain switches in fiber laser light sources)
First, the principle of pulse light generation by a gain switch in a laser will be described. FIG. 1A is a schematic diagram of a laser resonator, in which a laser medium 202 is sandwiched between two mirrors 204 and 205 to form a laser resonator. Excitation light 201 is incident on the laser resonator from the outside, and laser-oscillated output light 203 is obtained. In the fiber laser light source, the laser medium 202 corresponds to a doped fiber, and the mirrors 204 and 205 correspond to a fiber grating.

このレーザ共振器に、図1(b)に示すようなステップ状に強度変調された励起光201をレーザ媒質202に入力すると、レーザ媒質内は、図1(c)に示すように時間とともに内部エネルギーが増加する。レーザ媒質がレーザ発振していなければ、内部エネルギーはレーザ共振器のレーザ発振閾値を超えて過飽和状態となる。この過飽和状態でレーザ発振が始まると蓄積されたエネルギーが一度に放出されるため、図1(d)に示すように出力光強度P1のパルス光出力が発生する。これが利得スイッチによるパルス光発光の原理である。   When pump light 201 whose intensity has been modulated stepwise as shown in FIG. 1 (b) is input to the laser medium 202, the laser medium contains the inside of the laser medium over time as shown in FIG. 1 (c). Energy increases. If the laser medium does not oscillate, the internal energy exceeds the laser oscillation threshold of the laser resonator and becomes supersaturated. When laser oscillation starts in this supersaturated state, the accumulated energy is released at a time, so that a pulsed light output having an output light intensity P1 is generated as shown in FIG. This is the principle of pulsed light emission by the gain switch.

利得スイッチにおいては、励起の開始時間からパルス光発生するまでにエネルギー蓄積の時間t1を必要とする。以下、この時間t1を光遅延時間と呼ぶ。このような利得スイッチを利用したファイバレーザ光源を用いることで、簡単な構成でレーザパルス光を発生できる。   In the gain switch, an energy storage time t1 is required from the excitation start time to the generation of pulsed light. Hereinafter, this time t1 is referred to as an optical delay time. By using a fiber laser light source using such a gain switch, laser pulse light can be generated with a simple configuration.

ところが、利得スイッチをファイバレーザ光源に用いてパルス発光を行うと、従来知られていなかった2つの問題が明らかになった。第1の問題は、パルス発光開始時の初期パルスが発生しない、もしくはその出力が極端に低下するという現象(ファーストパルスの問題)である。この初期パルスの出力変動は、固体レーザ光源においても見られるが、この場合は、ファイバレーザ光源と反対に初期パルスの出力が増大する。従って、ファイバレーザ光源の初期パルスの出力変動の発生メカニズムが異なる。   However, when pulse emission is performed using a gain switch as a fiber laser light source, two problems that have not been known in the past have been clarified. The first problem is a phenomenon (first pulse problem) in which an initial pulse at the start of pulse emission does not occur or its output is extremely reduced. Although the output fluctuation of the initial pulse is also observed in the solid-state laser light source, in this case, the output of the initial pulse increases contrary to the fiber laser light source. Therefore, the generation mechanism of the output fluctuation of the initial pulse of the fiber laser light source is different.

第2の問題は、レーザ共振器に入射するエネルギーにより、励起光とパルス光出力との光遅延時間t1が変化する現象である。この光遅延時間が変化すると、パルス光の出力タイミングが変化する。これは、固体レーザ光源では見られない現象である。   The second problem is a phenomenon in which the optical delay time t1 between the pumping light and the pulsed light output changes depending on the energy incident on the laser resonator. When this optical delay time changes, the output timing of the pulsed light changes. This is a phenomenon that cannot be seen with a solid-state laser light source.

ファイバレーザ光源が固体レーザ光源と異なる点は、共振器長が非常に長い点である。固体レーザ光源の共振器長は最大でも1m程度であり、一般には数10cm程度のものが使用されている。これに対して、ファイバレーザ光源の共振器長は10m以上なので、固体レーザ光源に比べて共振器内部に蓄積されたエネルギーがレーザの発生に与える影響が異なる。
まず、第1の問題であるファーストパルスの問題について説明する。
The fiber laser light source is different from the solid laser light source in that the resonator length is very long. The resonator length of the solid-state laser light source is about 1 m at the maximum, and generally about several tens of centimeters is used. On the other hand, since the resonator length of the fiber laser light source is 10 m or more, the influence of the energy accumulated in the resonator on the generation of the laser is different from that of the solid laser light source.
First, the first problem, which is the first pulse, will be described.

ファイバレーザ光源のレーザ共振器(以下、ファイバ共振器という)に一定の励起光出力を繰り返し入射したときに発生するパルス光出力の関係を図2に示す。このファイバ共振器に入力する励起光出力を20W、パルス間隔50μs、デューティ10%で制御したときを例に説明する。   FIG. 2 shows the relationship of the pulsed light output generated when a constant pumping light output is repeatedly incident on a laser resonator (hereinafter referred to as a fiber resonator) of a fiber laser light source. An example will be described in which the pumping light output input to the fiber resonator is controlled at 20 W, a pulse interval of 50 μs, and a duty of 10%.

図2において、縦軸に、図2(a)は、ファイバ共振器に入射する励起光出力を示し、図2(b)は、入射した励起光に対してファイバ共振器から発生するパルス光出力を示し、横軸は、時間を示している。励起光は、一定の励起光を一定時間発生したあと、一定時間停止する。この一連の動作をする励起光が、パルス間隔Tで、ファイバ共振器に入射される。この励起光を繰り返しファイバ共振器に入射することによって、ファイバレーザ光源からパルス光が発生する。なお、励起光とパルス光出力は、n番目に入射した励起光Enとそのときに発生したパルス光出力Pnがそれぞれ対応している。   In FIG. 2, on the vertical axis, FIG. 2A shows the pumping light output incident on the fiber resonator, and FIG. 2B shows the pulsed light output generated from the fiber resonator with respect to the incident pumping light. And the horizontal axis represents time. The excitation light is generated for a certain period of time and then stopped for a certain period of time. The pumping light that performs this series of operations enters the fiber resonator at a pulse interval T. By repeatedly making this excitation light incident on the fiber resonator, pulse light is generated from the fiber laser light source. The pump light and pulsed light output correspond to the nth incident pump light En and the pulsed light output Pn generated at that time, respectively.

図2に示すように、ファイバ共振器に励起光を入射すると、パルス発光開始の励起光E1、E2では、パルス光P1,P2が発生せず、励起光E3,E4から微小なパルス光P3,P4が発生し、その後、励起光E5,E6から安定した出力のパルス光P5,P6が発生することがわかった。   As shown in FIG. 2, when the pump light is incident on the fiber resonator, the pulse lights P1 and P2 are not generated in the pump light E1 and E2 at the start of pulse emission, and the minute pulse light P3 and P4 are generated from the pump lights E3 and E4. It was found that P4 was generated, and thereafter, pulsed lights P5 and P6 with stable outputs were generated from the excitation lights E5 and E6.

このメカニズムを、図2と図3を用いて説明する。図3は、ファイバ共振器内部における蓄積されたエネルギーの分布を示したものである。横軸は距離で、ファイバ共振器の入射部から出射部までの位置を示す。縦軸はファイバ共振器内に蓄積される反転分布のエネルギーである。励起光の矢印は入射部側からファイバ共振器内に一定の励起光が入力している状態を示し、パルス光の矢印はパルスレーザが発生している状態を示している。   This mechanism will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows the distribution of accumulated energy inside the fiber resonator. The horizontal axis is distance, and indicates the position from the entrance to the exit of the fiber resonator. The vertical axis represents the energy of inversion distribution accumulated in the fiber resonator. The arrow of the pumping light indicates a state in which constant pumping light is input from the incident part side into the fiber resonator, and the arrow of the pulsed light indicates a state in which a pulse laser is generated.

さて、図2(a)に示すように、一定の励起光がパルス間隔Tでファイバ共振器に入射されるときに発生するパルス光出力は次のように発生する。励起光E1が入射されると、図3(a)に示すように、ファイバ共振器内部でエネルギーが蓄積される。その後、励起光E1が停止すると、ファイバ共振器の励起光吸収係数が高いので、ファイバ内部で励起光が減衰し、蓄積エネルギーも入射側から出射側に向かって減少する(図3(b))。すなわち、励起光E1は、ファイバ内部で減衰していまいレーザ発振状態に至らず、結果としてパルス光P1は、発生しない。   Now, as shown in FIG. 2A, the pulsed light output generated when the constant excitation light is incident on the fiber resonator at the pulse interval T is generated as follows. When the excitation light E1 is incident, energy is accumulated inside the fiber resonator as shown in FIG. Thereafter, when the pumping light E1 is stopped, the pumping light absorption coefficient of the fiber resonator is high, so that the pumping light is attenuated inside the fiber, and the stored energy is also decreased from the incident side toward the emitting side (FIG. 3B). . That is, the excitation light E1 is not attenuated inside the fiber and does not reach the laser oscillation state, and as a result, the pulsed light P1 is not generated.

次に励起光E2がファイバ共振器に入射されると(E1入射から50μs後)、励起光E1で残留した直前のエネルギーを加えて、ファイバにエネルギーが蓄積される。励起光E2停止とともに、このエネルギーは減衰しレーザ発振状態に至らず、パルス光P2は発生しない。このときの残留エネルギーは、励起光E1停止時より、大きいエネルギーがファイバ共振器内に残る。次に励起光E3がファイバ共振器に入射されると(E1入射から100μs後)、励起光E2で残留した直前のエネルギーを加えて蓄積エネルギーがファイバ共振器の閾値を超えるため、微小なパルス光P3が発生する(図3(c))。このパルス光P3は、ファイバ共振器がレーザ発振状態になったために生じる。このとき、励起光や出力するパルス光がファイバ共振器内部を伝搬するため、エネルギー分布がファイバ共振器全体に広がる。すなわち、レーザ発振によってファイバ共振器内部に蓄積されたエネルギー分布が変化し、その後、励起光停止とともに、減衰する(図3(d))。   Next, when the excitation light E2 is incident on the fiber resonator (after 50 μs from the incidence of E1), the energy immediately before remaining in the excitation light E1 is added, and energy is accumulated in the fiber. With the stop of the excitation light E2, this energy is attenuated and does not reach the laser oscillation state, and the pulsed light P2 is not generated. The residual energy at this time is larger in the fiber resonator than when the pumping light E1 is stopped. Next, when the pumping light E3 is incident on the fiber resonator (after 100 μs from the incidence of E1), the energy just before remaining in the pumping light E2 is added and the accumulated energy exceeds the threshold value of the fiber resonator. P3 is generated (FIG. 3C). This pulsed light P3 is generated because the fiber resonator is in a laser oscillation state. At this time, since the pumping light and the output pulsed light propagate inside the fiber resonator, the energy distribution spreads over the entire fiber resonator. In other words, the energy distribution accumulated inside the fiber resonator is changed by laser oscillation, and thereafter attenuates as the pumping light stops (FIG. 3D).

さらに、励起光E4が入射されると(E1入射から150μs後)、直前のE3の残留エネルギーを加えてレーザ発振状態になるため、パルス光P4の出力は、直前のパルス光P3よりも大きいパルス光が出力される。このとき励起光E4停止の残留エネルギーは、励起光E3停止時より、大きいエネルギーがファイバ共振器内に残る。このように励起光を繰り返し入射すると、E1入射から200μs後の励起光E5は、P4より大きなパルス光P5を発生する。このときの共振器内部の状態は図3(e)となる。   Further, when the excitation light E4 is incident (after 150 μs from the incidence of E1), the residual energy of the immediately preceding E3 is added to enter a laser oscillation state, so the output of the pulsed light P4 is a pulse larger than that of the immediately preceding pulsed light P3. Light is output. At this time, the residual energy of the stop of the pumping light E4 is larger in the fiber resonator than when the pumping light E3 is stopped. When the excitation light is repeatedly incident in this way, the excitation light E5 200 μs after the incidence of E1 generates a pulsed light P5 larger than P4. The state inside the resonator at this time is as shown in FIG.

そして、励起光E5を停止し、次の励起光E6を入射する直前のファイバ共振器内部の残留エネルギーと、励起光E5を入射する直前の残留エネルギーとがほぼ同じ状態になり(図3(f))、パルス光P5と同等なパルス光P6が発生する。その後、繰り返し励起光を入射すれば、励起光を入射する直前の残留エネルギーは飽和し、その飽和したエネルギーを加えてレーザ発振するため、安定したパルス光が繰り返し発生する(En、Pn)。   Then, the pumping light E5 is stopped, and the residual energy inside the fiber resonator immediately before the next pumping light E6 is incident is substantially the same as the residual energy just before the pumping light E5 is incident (FIG. 3 (f )), Pulsed light P6 equivalent to pulsed light P5 is generated. Thereafter, when the excitation light is repeatedly incident, the residual energy immediately before the excitation light is incident is saturated, and the laser is oscillated by adding the saturated energy, so that stable pulsed light is repeatedly generated (En, Pn).

すなわち、パルス発光開始すると、励起光がファイバ共振器に入射されるが、ファイバ共振器の損失が大きくレーザは発振状態に至らない。そのため、パルス発光開始の初期パルスからパルス光は発生しない。その後、励起光が繰り返し入射され、直前の残留エネルギーを加えてレーザ発振状態となり、利得スイッチによるパルス光が発生する。さらに励起光が繰り返し入射されることにより、直前のエネルギー分布が飽和することで、この飽和したエネルギーを加えてレーザ発振するため、安定した出力のパルス光を繰り返し発生させることができる。   That is, when pulse emission starts, excitation light enters the fiber resonator, but the loss of the fiber resonator is large and the laser does not enter an oscillation state. Therefore, no pulse light is generated from the initial pulse at the start of pulse emission. Thereafter, the excitation light is repeatedly incident, and the immediately preceding residual energy is added to enter a laser oscillation state, and pulse light is generated by the gain switch. Further, when the excitation light is repeatedly incident, the immediately preceding energy distribution is saturated, and this saturated energy is added to cause laser oscillation. Therefore, stable output pulse light can be repeatedly generated.

次に、第2の問題である、ファイバ共振器に入射するエネルギーによりパルス光出力タイミングが変化するメカニズムを説明する。パルス光出力タイミングの変化も、第1の問題と同様にファイバ共振器内部のエネルギーに起因する。ファイバ共振器の励起光吸収係数が高いので、ファイバ内部で励起光が減衰するため、ファイバ共振器内部に蓄積された内部エネルギーは低下する。内部エネルギーが低下すると、レーザ発振状態に至るまでの時間がかかり、パルス発生、すなわち光遅延時間は長くなる。この光遅延時間は、励起光強度やファイバ共振器内部のエネルギー分布に依存して変化する。   Next, a mechanism that changes the pulsed light output timing according to energy incident on the fiber resonator, which is a second problem, will be described. The change in the output timing of the pulsed light is also caused by the energy inside the fiber resonator as in the first problem. Since the excitation light absorption coefficient of the fiber resonator is high, the excitation light is attenuated inside the fiber, so that the internal energy accumulated in the fiber resonator is reduced. When the internal energy decreases, it takes time to reach the laser oscillation state, and the pulse generation, that is, the optical delay time becomes longer. This optical delay time varies depending on the intensity of pumping light and the energy distribution inside the fiber resonator.

以上が、利得スイッチをファイバレーザ光源に用いてパルス発光を行う際に生じる問題の発生メカニズムである。
以下、本発明の実施の形態にかかる光源装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
The above is the mechanism of occurrence of problems that occur when pulse emission is performed using a gain switch as a fiber laser light source.
Hereinafter, a light source device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in drawing may abbreviate | omit description.

(実施の形態1)
図4は、本発明の実施の形態1における光源装置の構成図を示す。図4に示すように、ファイバレーザ光源101は、励起用レーザ光源102とYb添加ダブルクラッドファイバを用いたファイバ103と、このファイバの両端にFBG104、105を融着接続することでファイバ共振器とした構成にしている。ファイバ103のコア径は6μm、長さ16m程度とした。励起用レーザ光源102は、波長915nmの半導体レーザを用い、ファイバ共振器の片方のFBG104に励起光が入力できるように配置した。励起光を入力することにより、ファイバ共振器内で共振して波長1000nm〜1100nmのレーザ出力光がFBG105から発生する。共振波長はFBGの反射波長で選択すれば良い。
(Embodiment 1)
FIG. 4 is a configuration diagram of the light source device according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 4, the fiber laser light source 101 includes a fiber resonator using a pumping laser light source 102 and a Yb-doped double clad fiber, and FBGs 104 and 105 fused to both ends of the fiber. The configuration is as follows. The core diameter of the fiber 103 was about 6 μm and the length was about 16 m. The excitation laser light source 102 is a semiconductor laser having a wavelength of 915 nm and is arranged so that excitation light can be input to one FBG 104 of the fiber resonator. By inputting excitation light, laser output light having a wavelength of 1000 nm to 1100 nm is generated from the FBG 105 by resonating in the fiber resonator. The resonance wavelength may be selected by the reflection wavelength of the FBG.

本実施の形態では、波長1064nmのレーザ出力光を発生できるFBGの反射波長を選んだ。このレーザ出力光をSHGモジュール106に導けば、波長変換された短波長光がSHGモジュール106より出力される。ファイバ共振器から発生するレーザ出力光は、レーザ駆動部107から出力される電流を励起用レーザ光源102に入力することにより発生する。このレーザ駆動部は、出力する電流をレーザ制御部108により、制御される。   In this embodiment, an FBG reflection wavelength capable of generating laser output light having a wavelength of 1064 nm is selected. When this laser output light is guided to the SHG module 106, the wavelength-converted short wavelength light is output from the SHG module 106. Laser output light generated from the fiber resonator is generated by inputting a current output from the laser driving unit 107 to the excitation laser light source 102. In this laser drive unit, the output current is controlled by the laser control unit 108.

本発明の特徴は、励起用レーザ光源102を駆動する電流の与え方にある。すなわち、レーザ制御部108がレーザ駆動部107を制御する方法である。図5は、励起用レーザ光源102に入力される電流波形(図5(a))と、このときファイバレーザ光源101から出力される光出力波形(図5(b))の模式図を示している。
図5において、まず、レーザ制御部108は、レーザ駆動部107を介して励起用レーザ光源102に、第1の電流である予備発光電流を与えて、ファイバレーザ光源101から連続光の予備出力を発光させ(予備発光工程)、次にこの第1の電流を停止した後に休止期間を設けて(発光停止工程)、引き続き、第2の電流であるパルス発光電流を与えて利得スイッチによるパルス光を出力させる(パルス発光工程)という特徴がある。
A feature of the present invention resides in how to supply a current for driving the excitation laser light source 102. That is, the laser control unit 108 controls the laser driving unit 107. FIG. 5 shows a schematic diagram of a current waveform (FIG. 5A) input to the excitation laser light source 102 and a light output waveform (FIG. 5B) output from the fiber laser light source 101 at this time. Yes.
In FIG. 5, first, the laser control unit 108 gives a preliminary light emission current that is a first current to the excitation laser light source 102 via the laser driving unit 107, and generates a preliminary output of continuous light from the fiber laser light source 101. Next, after stopping the first current, a pause period is provided after the first current is stopped (light emission stop step). Subsequently, a pulse light emission current as a second current is applied to generate pulsed light from the gain switch. There is a feature of outputting (pulse emission process).

図5において、予備発光工程の第1の電流は、ファイバレーザ光源101から低出力で連続光を出力させるための電流であり、ファイバ共振器がレーザ発振するために必要な閾値電流以上の電流を励起用レーザ光源102に与える必要がある。発光停止工程は、利得スイッチを行なうために、ファイバ共振器のレーザ発振を止めて、ファイバ共振器内部にエネルギーを蓄積しておく工程である。この発光停止工程では、電流をゼロまたは励起用レーザ光源102が励起光出力する閾値電流未満にする。その後、パルス発光工程で第2の電流を励起用レーザ光源102に与えることで、ファイバ共振器は、直前の蓄積されたエネルギーを加えて利得スイッチによるパルス発光ができるため、パルス発光開始から安定した出力のパルス光が得られる。   In FIG. 5, the first current in the preliminary light emission process is a current for outputting continuous light at a low output from the fiber laser light source 101, and a current equal to or higher than a threshold current required for the fiber resonator to oscillate. It is necessary to provide the laser light source 102 for excitation. The light emission stop process is a process in which laser oscillation of the fiber resonator is stopped and energy is accumulated inside the fiber resonator in order to perform gain switching. In this light emission stop process, the current is set to zero or less than the threshold current at which the excitation laser light source 102 outputs excitation light. After that, by supplying the second current to the excitation laser light source 102 in the pulse emission process, the fiber resonator can emit pulses by the gain switch by adding the energy stored immediately before, so that the pulse emission is stabilized from the start of the pulse emission. Output pulsed light is obtained.

図2、3で説明したように、ファイバレーザ光源では共振器長が長く、さらにファイバの励起光吸収係数が高いので、ファイバ内部で励起光が減衰する。そのため初期パルスでは、ファイバ共振器がパルス発生するために必要なエネルギーがファイバ内部を伝搬しないため、出力されるパルス光は、光遅延時間が長く出力も低い。この問題を解決するのが、予備発光工程と発光停止工程である。これらの工程で、ファイバ共振器内部にエネルギーを蓄積することができるので、パルス発光工程の初期パルスのエネルギー減衰を抑制することができ、パルス発光開始から安定したパルス光出力を発生できる。
以下に、本発明のパルス光源における電流駆動方法を各工程に分けて詳細に説明する。
As described with reference to FIGS. 2 and 3, the fiber laser light source has a long resonator length and a high pumping light absorption coefficient, so that the pumping light is attenuated inside the fiber. For this reason, in the initial pulse, energy necessary for generating a pulse by the fiber resonator does not propagate through the fiber, so that the output pulse light has a long optical delay time and a low output. The preliminary light emission process and the light emission stop process solve this problem. In these steps, energy can be accumulated inside the fiber resonator, so that energy attenuation of the initial pulse in the pulse emission process can be suppressed, and stable pulsed light output can be generated from the start of pulse emission.
Below, the current drive method in the pulse light source of this invention is demonstrated in detail divided into each process.

<予備発光工程>
予備発光工程では、前述したように連続光を発生することでレーザ活性媒質へエネルギーを蓄積する工程である。図5において、予備発光電流を励起用レーザ光源102に入力し、ファイバレーザ光源101から連続光を出力させる。予備発光工程に必要なのは、安定した連続光の出力であり、ファイバ共振器をレーザ発振状態にさせる必要がある。このためのファイバ共振器に入力される励起光強度(この励起光強度は、図5の予備発光電流に相当する)がある値以上であれば、励起光強度によらずパルス発光工程でのパルス光出力は変化しない。しかし、この励起光強度が低いと、パルス発光工程でのパルス光出力に影響を与える。これを、図6を利用して説明する。
<Preliminary light emission process>
In the preliminary light emission step, energy is accumulated in the laser active medium by generating continuous light as described above. In FIG. 5, the preliminary light emission current is input to the excitation laser light source 102, and continuous light is output from the fiber laser light source 101. What is necessary for the preliminary light emission step is a stable continuous light output, and the fiber resonator needs to be in a laser oscillation state. If the pumping light intensity input to the fiber resonator for this purpose (the pumping light intensity corresponds to the preliminary light emission current in FIG. 5) is a certain value or more, the pulse in the pulse emission process is independent of the pumping light intensity. The light output does not change. However, when the excitation light intensity is low, the pulse light output in the pulse emission process is affected. This will be described with reference to FIG.

図6は予備発光工程における励起用レーザ光源102の出力とパルス発光工程でのパルス発光開始の初期パルス光出力バラツキの関係を示したものである。縦軸はパルス発光工程での相対的なパルス出力バラツキであり、数字0はパルス光が発光しない状態を示し、数字100は、目標のパルス光出力を示す。矢印の長さは、その間のいずれかのパルス光出力が発生することを表す。   FIG. 6 shows the relationship between the output of the excitation laser light source 102 in the preliminary light emission process and the initial pulsed light output variation at the start of pulsed light emission in the pulse light emission process. The vertical axis represents the relative pulse output variation in the pulse emission process, the numeral 0 indicates a state in which no pulsed light is emitted, and the numeral 100 indicates the target pulsed light output. The length of the arrow indicates that any pulsed light output is generated during that time.

図6に示すように、ファイバ共振器がレーザ発振する閾値以下の励起光強度の予備発光電流を与えると、パルス発光工程でのパルス出力が大きくばらつく。予備発光強度がこの閾値を超えると徐々にパルス光出力のバラツキが減る。予備発光強度が約2Wを超えると、バラツキが見られず、その後は予備発光電流の値によらず、一定のパルス出力が得られた。これは閾値近傍ではレーザ発振が不安定な状態で、エネルギー蓄積が不十分になるためと考えられる。   As shown in FIG. 6, when a preliminary light emission current having an excitation light intensity equal to or lower than the threshold value at which the fiber resonator performs laser oscillation, the pulse output in the pulse light emission process varies greatly. When the preliminary light emission intensity exceeds this threshold, the variation in pulsed light output gradually decreases. When the preliminary emission intensity exceeded about 2 W, no variation was observed, and thereafter a constant pulse output was obtained regardless of the value of the preliminary emission current. This is presumably because the laser oscillation is unstable in the vicinity of the threshold, and the energy accumulation becomes insufficient.

そのため、予備発光工程では、安定なレーザ発振が得られる予備発光電流と予備発光時間が必要となる。一方、励起光強度は2Wを超える値で可変しても、パルス光出力は変化しなかった。この結果よりレーザ発振により蓄えられるエネルギーは励起光強度2W程度で飽和すると考えられる。以上の結果、予備励起パワーは2W程度以上の励起光強度が望ましい。   For this reason, in the preliminary light emission process, a preliminary light emission current and a preliminary light emission time for obtaining stable laser oscillation are required. On the other hand, even when the excitation light intensity was varied at a value exceeding 2 W, the pulsed light output did not change. From this result, it is considered that the energy stored by laser oscillation is saturated at an excitation light intensity of about 2 W. As a result, the preliminary excitation power is preferably about 2 W or more.

また予備発光工程において、連続光が発生するまでの時間は予備発光電流の値に依存した。電流値が小さいと連続光が出力するまでの時間が長くなった。安定なパルス光出力を得るには、予備発光工程における安定な連続光発生が必要となる。このため、予備発光工程の時間は、電流印加開始から安定な連続発光が始まる時間より長くすることが望ましい。具体的には、第1の電流である予備発光電流は、図5(a)において、励起用レーザ光源102が2W以上出力する値とし、予備発光時間は、ファイバ共振器がレーザ発振し連続光が安定して出力される時間(例えば、1ms以上)に設定することが望ましい。
また、例えば、図4において、ファイバレーザ光源101から出力されるレーザ光をサンプリングミラーにより分離し、その分離した一部の光を光検出器によりモニターする構成とし、所望の連続光でレーザ制御する構成としてもよい(図示せず)。
In the preliminary light emission step, the time until the continuous light is generated depends on the value of the preliminary light emission current. When the current value is small, the time until continuous light is output becomes longer. In order to obtain a stable pulsed light output, it is necessary to generate stable continuous light in the preliminary light emission process. For this reason, it is desirable that the time of the preliminary light emission process is longer than the time when stable continuous light emission starts from the start of current application. Specifically, the preliminary light emission current that is the first current is a value that the excitation laser light source 102 outputs 2 W or more in FIG. 5A, and the preliminary light emission time is the continuous light emitted from the fiber resonator by laser oscillation. Is preferably set to a time (eg, 1 ms or more) during which the signal is output stably.
Further, for example, in FIG. 4, the laser light output from the fiber laser light source 101 is separated by a sampling mirror, and a part of the separated light is monitored by a photodetector, and laser control is performed with desired continuous light. It is good also as a structure (not shown).

<発光停止工程>
発光停止工程は、初期パルスを発生させるために、直前の予備発光工程でのレーザ発振を停止し、ファイバ共振器内部にエネルギーを蓄積させる工程である。次のパルス発光工程の直前には、ファイバ共振器内部のレーザ発振や緩和振動の無い状態、すなわち内部エネルギー変動の無い状態が一定時間以上必要である。このため、発光停止工程が必要になる。ここでは初期パルスを発生するためのエネルギーを蓄えておく必要がある。このエネルギーは、ファイバ共振器で吸収されるため、図5において、発光停止時間が変化することで、そのエネルギーも変化し、パルス光出力に影響を及ぼす。
<Light emission stop process>
The light emission stop process is a process in which the laser oscillation in the immediately preceding preliminary light emission process is stopped and energy is accumulated in the fiber resonator in order to generate an initial pulse. Immediately before the next pulse emission step, a state in which there is no laser oscillation or relaxation oscillation inside the fiber resonator, that is, a state in which there is no internal energy fluctuation, is required for a certain time or more. For this reason, a light emission stop process is required. Here, it is necessary to store energy for generating an initial pulse. Since this energy is absorbed by the fiber resonator, when the light emission stop time is changed in FIG. 5, the energy also changes and affects the pulsed light output.

<パルス発光工程>
パルス発光工程は、図5に示すように、パルス光を発光させる工程である。予備発光工程から発光停止工程を経てファイバ共振器内部に残留したエネルギーを加えて、第2の電流であるパルス発光電流を与え、ファイバ共振器を励起することで利得スイッチによるパルス光が発生する。この工程では図1で説明したように、内部エネルギーを過飽和状態にし、蓄積されたエネルギーを一気に放出することでパルス光を発生する。パルス発光電流の入力開始からパルス光発生までの光遅延時間は、図1(c)の光遅延時間t1で示した時間であり、ファイバ共振器のエネルギーがパルス光発生の閾値に達するまでの時間である。そのため、励起用レーザ光源から励起光を発生させるための電流立ち上り時間は光遅延時間より速くする必要がある。また発生するパルス光出力やパルス幅、遅延時間はパルス発光電流に依存する。
<Pulse emission process>
The pulse light emission step is a step of emitting pulsed light as shown in FIG. The energy remaining in the fiber resonator through the preliminary light emission process through the light emission stop process is added to give a pulsed light emission current as a second current, and the fiber resonator is excited to generate pulsed light by the gain switch. In this step, as described with reference to FIG. 1, the internal energy is brought into a supersaturated state, and pulse light is generated by releasing the accumulated energy all at once. The optical delay time from the start of input of the pulsed light emission current to the generation of the pulsed light is the time indicated by the optical delay time t1 in FIG. 1 (c), and the time until the energy of the fiber resonator reaches the threshold value for generating the pulsed light. It is. For this reason, it is necessary to make the current rise time for generating pumping light from the pumping laser light source faster than the optical delay time. The generated pulse light output, pulse width, and delay time depend on the pulse light emission current.

具体的な値として、本実施例での発光停止工程とパルス発光工程でのパルス光出力の関係を図7に示す。図7において、発光停止時間をパラメータとしたときに発生する初期パルス出力(図7(a))、とこのときの光遅延時間(図7(b))の関係を示したものである。用いたファイバはコア径6μmのYbドープファイバ、共振器長は16m、励起光は波長915nmの半導体レーザである。ここで予備発光工程は、ファイバレーザ光源がレーザ発振する状態にしている。図7(a)において、発光停止時間が15μ秒に満たないと、パルス光出力が低下する。これは、ファイバ共振器内部の緩和振動が十分収まらず、過飽和状態が阻害されるためである。本実施例での利得スイッチによるパルス光発生には、ファイバ共振器内でのレーザ発振が完全に収まった状態が必要であり、このための時間として15μ秒程度の時間が必要と考えられる。   As specific values, FIG. 7 shows the relationship between the light emission stop process and the pulse light output in the pulse light emission process in this embodiment. FIG. 7 shows the relationship between the initial pulse output (FIG. 7A) generated when the light emission stop time is used as a parameter and the optical delay time at this time (FIG. 7B). The fiber used is a Yb-doped fiber with a core diameter of 6 μm, the resonator length is 16 m, and the pumping light is a semiconductor laser with a wavelength of 915 nm. Here, in the preliminary light emission step, the fiber laser light source is in a state of lasing. In FIG. 7A, when the light emission stop time is less than 15 μsec, the pulsed light output decreases. This is because the relaxation oscillation inside the fiber resonator is not sufficiently settled and the supersaturated state is hindered. The generation of pulsed light by the gain switch in the present embodiment requires a state in which the laser oscillation in the fiber resonator is completely contained, and it is considered that a time of about 15 μsec is necessary for this.

一方、発光停止時間が60μ秒を超えるとパルス光出力が再び低下する。さらに230μ秒を超えるとパルス光出力は急激に低下する。これは、予備発光工程により蓄積されたエネルギーの保持時間の上限が230μ秒程度(図中のB)であることを示している。この上限を超えると蓄積エネルギーの損失が大きくなりパルス光出力が低下する。一方、パルス光出力が変動しない非常に安定な状態が15〜60μ秒の間に存在することも分かった。従って、本実施例でのファイバ共振器であれば、発光停止時間は図7(a)のAの範囲である15μ秒以上、60μ秒以下に設定するのがさらに好ましい。この範囲であれば発光停止時間によってパルス光出力はほとんど変化せず、パルス発光開始の初期パルスから安定した高出力なパルス光出力特性が得られる。   On the other hand, when the light emission stop time exceeds 60 μsec, the pulsed light output decreases again. Furthermore, if it exceeds 230 microseconds, a pulsed light output will fall rapidly. This indicates that the upper limit of the holding time of the energy accumulated in the preliminary light emission process is about 230 μsec (B in the figure). When this upper limit is exceeded, the loss of stored energy increases and the pulsed light output decreases. On the other hand, it was also found that a very stable state in which the pulsed light output does not fluctuate exists between 15 to 60 μs. Therefore, in the case of the fiber resonator according to the present embodiment, it is more preferable that the light emission stop time is set to 15 μsec or more and 60 μsec or less which is the range of A in FIG. Within this range, the pulsed light output hardly changes depending on the light emission stop time, and stable and high-powered pulsed light output characteristics can be obtained from the initial pulse at the start of pulsed light emission.

発光停止状態は、蓄積されたエネルギーの損失がパルス光発生に影響しない程度であり、かつパルス光発生が可能な静止状態を創り出すための長さが要求される。230μ秒を超えると蓄積エネルギー損失が大きくなり、15μ秒より短くなるとファイバ共振器の過飽和状態が阻害される。   The light emission stop state is such that the loss of accumulated energy does not affect the generation of pulsed light, and a length for creating a stationary state capable of generating pulsed light is required. When 230 μsec is exceeded, the stored energy loss increases, and when it is shorter than 15 μsec, the supersaturated state of the fiber resonator is inhibited.

図7(b)において、発光停止時間が長くなるとともに、光遅延時間は増加している。これは、発光停止時間が長くなれば、ファイバ内部に蓄積されたエネルギーはファイバに吸収されるため、そのエネルギーは時間とともに減衰する。そのため、残留エネルギーが減少することによって、パルス光発生の閾値に達するまでに時間がかかり、そのため光遅延時間は長くなる。発光停止時間が15μ秒に満たないと、光遅延時間は急激に低下するが、これは、ファイバ共振器の緩和振動が十分収まらず、過飽和状態が阻害されるためである。すなわち予備発光工程の連続光が完全に出力停止していない状態である。本実施例での利得スイッチによるパルス光発生には、ファイバ共振器内でのレーザ発振が完全に収まった状態が必要であり、このための時間として15μ秒程度の時間が必要と考えられる。   In FIG. 7B, the light emission stop time increases and the light delay time increases. This is because if the light emission stop time becomes longer, the energy stored in the fiber is absorbed by the fiber, and the energy is attenuated with time. Therefore, as the residual energy decreases, it takes time to reach the threshold value for generating pulsed light, and thus the optical delay time becomes longer. If the light emission stop time is less than 15 μsec, the optical delay time decreases rapidly, because the relaxation oscillation of the fiber resonator is not sufficiently settled and the supersaturated state is inhibited. That is, the continuous light in the preliminary light emission process is not completely stopped. The generation of pulsed light by the gain switch in the present embodiment requires a state in which the laser oscillation in the fiber resonator is completely contained, and it is considered that a time of about 15 μsec is necessary for this.

さらに、図5における第2の電流の電流立ち上り時間をパラメータとしたときに発生するパルス出力特性を図8に示す。図8において、縦軸の左側に光遅延時間、右側にパルス光出力を示している。このときのレーザ制御部108のレーザ駆動条件は、それぞれ、予備発光電流2A、予備発光時間1ms、発光停止時間20us、パルス発光電流10Aとしている。図8より、電流立ち上り時間が短くなると、光遅延時間は短くなり、パルス光出力が増加する。光遅延時間は、電流立ち上り時間に依存して変化しているが、パルス光出力には、変動しない安定な状態が、電流立ち上り時間1.3μs以下にあることがわかった。これは本実施例のファイバ共振器の過飽和状態によって発生するパルス光出力が電流立ち上り時間に対して飽和したと考えられる。   Further, FIG. 8 shows a pulse output characteristic generated when the current rise time of the second current in FIG. 5 is used as a parameter. In FIG. 8, the left side of the vertical axis shows the optical delay time, and the right side shows the pulsed light output. The laser drive conditions of the laser controller 108 at this time are a preliminary light emission current 2A, a preliminary light emission time 1 ms, a light emission stop time 20 us, and a pulse light emission current 10A, respectively. From FIG. 8, when the current rise time is shortened, the optical delay time is shortened and the pulsed light output is increased. Although the optical delay time changes depending on the current rise time, it was found that a stable state that does not fluctuate in the pulsed light output has a current rise time of 1.3 μs or less. This is considered that the pulsed light output generated by the supersaturated state of the fiber resonator of the present embodiment is saturated with respect to the current rise time.

また、電流立ち上り時間が、光遅延時間より長くなると、パルス光出力が、大幅に低下するため、電流立ち上り時間は、光遅延時間より短くすることが望ましい。   Further, when the current rise time becomes longer than the optical delay time, the pulsed light output is significantly reduced. Therefore, it is desirable that the current rise time be shorter than the optical delay time.

励起用レーザ光源102に電流をステップ印加すると、図1に示すように、励起光強度がステップ状にファイバ共振器に入力され、ファイバ共振器は過飽和状態となりパルス光を発生する。しかしながら、電流立ち上り時間が長くなると、励起光強度の立ち上り時間も長くなるため、発生するパルス光出力に影響を及ぼす。すなわち電流立ち上り時間が長くなると、ファイバ共振器が過飽和状態となる時間がかかり、ファイバ共振器から発生するパルス光は、光遅延時間増加や出力低下する。そのため、安定した高出力のパルス光出力を得るためには、電流立ち上り時間は、少なくとも光遅延時間より短くする必要がある。   When a current is step-applied to the excitation laser light source 102, as shown in FIG. 1, the excitation light intensity is input to the fiber resonator in a step shape, and the fiber resonator becomes oversaturated and generates pulsed light. However, if the current rise time becomes long, the rise time of the excitation light intensity also becomes long, which affects the generated pulsed light output. That is, as the current rise time becomes longer, it takes time for the fiber resonator to become supersaturated, and the pulse light generated from the fiber resonator increases or decreases the output delay time. For this reason, in order to obtain a stable and high-power pulsed light output, the current rise time must be at least shorter than the optical delay time.

図9は、従来の図2の入出力光特性に、本発明である予備発光工程と発光停止工程を追加したものである。予備発光工程で、ファイバレーザ光源に励起光E0を入力し、連続光P0を出力させる。ファイバ共振器が発振状態となった後、発光停止工程で所定の発光停止時間(Ts)でレーザ発振を停止する。パルス発光工程で、励起光E1を入力することで、初期パルスP1から高出力のパルス光が発生する。ここで、前述したように、発生するパルス光の光遅延時間は、発光停止時間Tsによって変化する。   FIG. 9 is obtained by adding a preliminary light emission process and a light emission stop process according to the present invention to the input / output light characteristics of FIG. In the preliminary light emission step, the excitation light E0 is input to the fiber laser light source and the continuous light P0 is output. After the fiber resonator enters the oscillation state, the laser oscillation is stopped at a predetermined emission stop time (Ts) in the emission stop process. By inputting the excitation light E1 in the pulse emission process, high-power pulse light is generated from the initial pulse P1. Here, as described above, the optical delay time of the generated pulsed light varies depending on the light emission stop time Ts.

この光遅延時間の変化は、ファイバ共振器内部の残留エネルギーに依存する。パルス発光工程においても、パルス間隔Tを変えると、残留エネルギーも変化するため、パルス光の出力や光遅延時間が変化し、初期パルス光と2発目以降のパルス光の出力にばらつきが生じる。そのため、発光停止時間Tsは、パルス発光工程でパルス光停止後から次の励起光を入力するまでの時間(励起停止時間)Tpと同じに設定することが望ましい。TsとTpを同じ時間として連続パルス発振させると、パルス発光する前の直前の残留エネルギーが等価となり、そのエネルギーを加えてパルス発振するため、初期パルスと2発目以降のパルス光の出力ばらつきを改善することができた。   This change in optical delay time depends on the residual energy inside the fiber resonator. Also in the pulse emission process, if the pulse interval T is changed, the residual energy also changes, so the output of the pulse light and the optical delay time change, and the initial pulse light and the output of the second and subsequent pulse lights vary. Therefore, it is desirable to set the light emission stop time Ts to be the same as the time (excitation stop time) Tp from when the pulse light is stopped until the next excitation light is input in the pulse light emission process. When continuous pulse oscillation is performed with Ts and Tp being the same time, the residual energy immediately before the pulse emission becomes equivalent, and the pulse oscillation is performed by adding that energy. It was possible to improve.

この発光停止時間は、Yb添加ダブルクラッドファイバの構造にも依存する。本実施例では、コア径6μm、長さ16mのファイバである。また、励起光の波長は915nm近傍、出力光の波長が1064nm近傍のものを用いた。ファイバレーザのコア径を10μm程度まで大きくし、FBGの反射率など共振器の設計を調整すると、発光停止時間の最小値は5μ秒程度まで短くすることができる。共振器構造を最適化することでパルス光出力が変化しない安定な発光停止時間を5μ秒〜80μ秒にすることも可能である。発光停止時間を短くすることでパルスの繰り返し周波数の最大値を高くすることが可能になる。   This emission stop time also depends on the structure of the Yb-doped double clad fiber. In this embodiment, the fiber has a core diameter of 6 μm and a length of 16 m. Further, the pumping light having a wavelength of about 915 nm and the output light having a wavelength of about 1064 nm were used. When the core diameter of the fiber laser is increased to about 10 μm and the design of the resonator such as the reflectance of the FBG is adjusted, the minimum value of the emission stop time can be shortened to about 5 μs. By optimizing the resonator structure, the stable light emission stop time during which the pulsed light output does not change can be set to 5 μs to 80 μs. By shortening the light emission stop time, the maximum value of the pulse repetition frequency can be increased.

以上のように、予備発光工程と発光停止工程とを設けて、発光停止工程の発光停止時間とパルス発光工程の励起停止時間とを同じ時間にすることによって、パルス発光工程の初期パルスと2発目以降のパルス光の出力特性は、同じ特性となり、パルス発光開始から、安定したパルス光の出力を得ることができる。   As described above, the preliminary light emission process and the light emission stop process are provided, and the light emission stop time of the light emission stop process and the excitation stop time of the pulse light emission process are set to the same time, so The output characteristics of the pulsed light after the first are the same, and stable pulsed light output can be obtained from the start of pulsed light emission.

なお、本実施例では、ファイバ103をYbドープファイバで説明したが、これ以外のレーザ活性物質を含むファイバであれば良い。すなわち、レーザ活性物質としてドープされた、Er、Pr、Nd、Tm、Hoなどの希土類や、これらを混合したファイバでも良い。ドープする希土類を変えることで発振波長を選択できる。また、ファイバを進行方向に複数の部分に分割し、それぞれに異なるドープ材料またはドープ濃度のファイバを接続する構成にすると、高速なパルス変調が可能となる。   In the present embodiment, the fiber 103 has been described as a Yb-doped fiber, but any other fiber containing a laser active substance may be used. That is, rare earth such as Er, Pr, Nd, Tm, and Ho doped as a laser active material, or a fiber in which these are mixed may be used. The oscillation wavelength can be selected by changing the rare earth to be doped. In addition, if the fiber is divided into a plurality of portions in the traveling direction, and fibers having different doping materials or doping concentrations are connected to each other, high-speed pulse modulation becomes possible.

また、励起用レーザ光源を複数個用意し、パルス発光工程の励起用レーザ光源と予備発光工程の励起用レーザ光源とに別々に振り分ける構成も可能である。例えば、励起用レーザ光源を4つの半導体レーザ(LD)で構成し、低出力しか必要としない予備発光工程にはそのうち1つのLDを使って励起し、パルス発光には4つのLDで励起する構成も可能である。低出力動作が必要な予備励起ではLDの数が少ない方が低出力を安定に動作できるという利点がある。   A plurality of excitation laser light sources may be prepared and separately distributed to the excitation laser light source in the pulse emission process and the excitation laser light source in the preliminary emission process. For example, the pumping laser light source is composed of four semiconductor lasers (LDs), and one of the LDs is used for the preliminary light emission process that requires only a low output, and the pulsed light is excited by four LDs. Is also possible. In the preliminary excitation that requires a low output operation, there is an advantage that a low output can be stably operated when the number of LDs is small.

本実施例の構成では、出力したパルス光が励起用レーザ光源に戻る可能性がある。この戻り光が励起用レーザ光源の出力端面に戻ると、LDの端面破壊が発生する。これを防止するため、励起用レーザ光源には戻り光防止用の波長選択フィルターを備えるのが好ましい。励起用レーザ光源の出力近傍に波長選択フィルターを儲けることで、ファイバレーザ光源からの戻り光を抑圧できる。   In the configuration of this embodiment, there is a possibility that the output pulsed light returns to the excitation laser light source. When the return light returns to the output end face of the excitation laser light source, the end face of the LD is broken. In order to prevent this, the excitation laser light source is preferably provided with a wavelength selection filter for preventing return light. By providing a wavelength selection filter near the output of the excitation laser light source, the return light from the fiber laser light source can be suppressed.

次に、本実施の形態では、ファイバレーザ光源からの出力を波長変換素子により波長変換して短波長光を発生する波長変換レーザ光源を説明する。図5において、ファイバレーザ光源101から出力されたパルス光をSHGモジュール106に導けば、波長変換された短波長のパルス光がSHGモジュールから出力される。本実施の形態では、FBGの反射波長を選択してファイバからは波長1064nmのレーザ光が発生させた。この波長1064nmの光をSHGモジュール106により波長532nmの緑色光に波長変換できる。   Next, in this embodiment, a wavelength-converted laser light source that generates short-wavelength light by wavelength-converting the output from the fiber laser light source with a wavelength conversion element will be described. In FIG. 5, if the pulsed light output from the fiber laser light source 101 is guided to the SHG module 106, the wavelength-converted short wavelength pulsed light is output from the SHG module. In this embodiment, the reflection wavelength of the FBG is selected, and laser light having a wavelength of 1064 nm is generated from the fiber. The light having a wavelength of 1064 nm can be converted into green light having a wavelength of 532 nm by the SHG module 106.

ここで、SHGモジュール106は非線形特性を持つ波長変換素子を備え、ファイバレーザ光源101から出力される基本波の波長に依存して変換効率が変化し、高調波出力は基本波の2乗に比例して増大する。この特性を利用すると、波長変換素子出力側での予備発光工程により生じる連続光の出力強度を大幅に抑圧できる。例えば、ファイバレーザ光源の出力側でパルス発光工程によるパルス出力が100W、予備発光工程による連続光の予備出力を1Wとすると、波長変換素子出力側では、それぞれ50W、0.005Wとなる。すなわち、ファイバレーザ光源の出力側では、連続光の予備出力はパルス光の出力に対して1/100の割合であるが、波長変換素子出力側では、この割合が1/10000と大幅に低下する。すなわち、波長変換素子を通すことで、予備発光工程の出力を大幅に抑制することができる。これによって予備出力の影響のない通常のパルス光源と同様なレーザ加工が可能となる。また、例えば、図4において、SHGモジュール106から出力される高調波出力光をサンプリングミラーにより分離し、その分離した一部の光を光検出器によりモニターする構成とし、予備発光工程を所望の連続光でレーザ制御する構成としてもよい(図示せず)。   Here, the SHG module 106 includes a wavelength conversion element having nonlinear characteristics, the conversion efficiency changes depending on the wavelength of the fundamental wave output from the fiber laser light source 101, and the harmonic output is proportional to the square of the fundamental wave. And increase. By utilizing this characteristic, the output intensity of continuous light generated by the preliminary light emission process on the wavelength conversion element output side can be significantly suppressed. For example, assuming that the pulse output in the pulse light emission process is 100 W on the output side of the fiber laser light source and the preliminary output of continuous light in the preliminary light emission process is 1 W, the wavelength conversion element output side has 50 W and 0.005 W, respectively. That is, on the output side of the fiber laser light source, the preliminary output of continuous light is 1/100 of the output of the pulsed light, but on the wavelength conversion element output side, this ratio is greatly reduced to 1/10000. . That is, the output of the preliminary light emission process can be significantly suppressed by passing the wavelength conversion element. As a result, laser processing similar to that of a normal pulse light source without the influence of the preliminary output becomes possible. Further, for example, in FIG. 4, the harmonic output light output from the SHG module 106 is separated by a sampling mirror, and a part of the separated light is monitored by a photodetector, and the preliminary light emission process is performed in a desired continuous state. It is good also as a structure which carries out laser control with light (not shown).

なおSHGモジュールには、例えばMgO:LiNbO、およびこの材料に分極反転構造を形成したものを使用することができ、他のリン酸チタニルカリウム(KTiOPO:KTP)やMg:LiTaOなど、およびこれらの材料に分極反転構造を形成したものを使用してもよい。 また、分極反転構造を有する非線形光学結晶、例えばMg:LiNbO(コングルエント組成・ストイキオメトリー組成)、Mg:LiTaO(コングルエント組成・ストイキオメトリー組成)、KTPで特に効果を発揮することができる。 For the SHG module, for example, MgO: LiNbO 3 and a material in which a polarization reversal structure is formed can be used. Other titanyl potassium phosphate (KTiOPO 4 : KTP), Mg: LiTaO 3 , and the like, and You may use what formed the polarization inversion structure in these materials. Further, it is particularly effective for nonlinear optical crystals having a domain-inverted structure, such as Mg: LiNbO 3 (congruent composition / stoichiometric composition), Mg: LiTaO 3 (congruent composition / stoichiometric composition), and KTP. .

なお、本発明の実施形態では、波長変換の一例として、赤外光(1064nm)から可視光(532nm)への変換を例にしたが、第2高調波発生以外にも、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振にも分極反転構造の周期を利用して、光の位相を整合させる構造を利用しているものであれば使用ができる。   In the embodiment of the present invention, as an example of wavelength conversion, conversion from infrared light (1064 nm) to visible light (532 nm) is taken as an example, but in addition to second harmonic generation, sum frequency generation, difference Any frequency generation and parametric oscillation can be used as long as they utilize a structure that matches the phase of light by utilizing the period of the domain-inverted structure.

このようにして本発明はファイバレーザ光源から出力されたパルス光を波長変換素子により高調波に変換した波長変換レーザ光源としても応用できる。波長変換として第2高調波に変換すると短波長光の発生が可能となり、加工対象物の範囲が広がる。波長変換は非線形現象を利用するため、パルスの強度分布を変調できる。波長変換することでパルス幅を約1/2程度に圧縮できるという利点を有する。   Thus, the present invention can also be applied as a wavelength-converted laser light source in which pulse light output from a fiber laser light source is converted into a harmonic by a wavelength conversion element. When converted into the second harmonic as wavelength conversion, it becomes possible to generate short wavelength light, and the range of the workpiece is widened. Since the wavelength conversion uses a nonlinear phenomenon, the intensity distribution of the pulse can be modulated. The wavelength conversion has the advantage that the pulse width can be compressed to about ½.

さらに波長変換素子として周期状の分極反転構造有する非線形光学結晶を用いると、パルス波形整形に有効である。周期状の分極反転構造を有する波長変換素子はウォークオフがないため長い作用長を利用できる。作用長が長くなると波長変換を行う波長許容度が狭くなる。パルス波形は立ち下がり時にテールを引くため立ち下がり時間が遅くなるが、このテール部分の波長とパルスピークの波長がわずかに異なる。このため周期状の分極反転構造を有する波長変換素子により波長変換を行うと、テール部分の変換効率が低下してパルス波形が整形される利点がある。このため、非線形光学効果によるパルス幅の圧縮に加えて、パルス波形整形が可能であるという点で有効である。   Furthermore, using a nonlinear optical crystal having a periodic domain-inverted structure as the wavelength conversion element is effective for shaping the pulse waveform. Since the wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure has no walk-off, a long action length can be used. As the action length becomes longer, the wavelength tolerance for wavelength conversion becomes narrower. Since the pulse waveform has a tail when it falls, the fall time is delayed, but the wavelength of this tail portion and the wavelength of the pulse peak are slightly different. For this reason, when wavelength conversion is performed by a wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure, there is an advantage that the conversion efficiency of the tail portion is reduced and the pulse waveform is shaped. This is effective in that the pulse waveform can be shaped in addition to the compression of the pulse width by the nonlinear optical effect.

本発明にかかるファイバレーザ光源とそれを用いた波長変換レーザ装置短波長光源によれば、パルス発光開始の初期パルスから常に安定なパルス光出力が得られる。このような高出力パルスファイバレーザ光源によって、レーザ加工、レーザアニールなどの産業用途に適した短波長光源を実現することができる。   According to the fiber laser light source and the wavelength conversion laser device short wavelength light source using the fiber laser light source according to the present invention, a stable pulsed light output can always be obtained from the initial pulse at the start of pulse emission. With such a high-power pulse fiber laser light source, a short wavelength light source suitable for industrial applications such as laser processing and laser annealing can be realized.

101 ファイバレーザ光源
102 励起用レーザ光源
103 ファイバ
104 FBG(ファーバブラッググレーティング)
105 FBG(ファーバブラッググレーティング)
106 SHGモジュール
107 レーザ駆動部
108 レーザ制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Fiber laser light source 102 Laser light source for excitation 103 Fiber 104 FBG (Faber Bragg grating)
105 FBG (Faber Bragg Grating)
106 SHG module 107 Laser drive unit 108 Laser control unit

Claims (5)

レーザ活性物質を含むファイバとその両端にファイバグレーティングを設けたレーザ共振器と、
このレーザ共振器の一端に励起光を入射する励起用レーザ光源と、
この励起用レーザ光源から励起光が出力するための電流を供給するレーザ駆動部と、
このレーザ駆動部から出力する電流を制御するレーザ制御部と、を備え、
前記レーザ制御部は、前記レーザ共振器からパルス光を出力する直前に、前記レーザ共振器がレーザ光を出力するための閾値電流より大きい第1の電流を与え、
前記第1の電流を停止した後に休止期間を設けた後、
パルス光を出力するための前記第1の電流より大きい第2の電流を前記励起用レーザ光源に与えるレーザ制御部と、から成るファイバレーザ光源装置。
A fiber containing a laser active substance and a laser resonator provided with fiber gratings at both ends thereof;
An excitation laser light source that makes excitation light incident on one end of the laser resonator;
A laser driver for supplying a current for outputting excitation light from the excitation laser light source;
A laser control unit for controlling the current output from the laser drive unit,
The laser control unit gives a first current larger than a threshold current for the laser resonator to output laser light immediately before outputting the pulse light from the laser resonator,
After providing a rest period after stopping the first current,
A fiber laser light source device comprising: a laser control unit that supplies a second current larger than the first current for outputting pulsed light to the excitation laser light source.
前記第1の電流を与える時間は、前記レーザ共振器が前記第1の電流を与えてから連続光を出力開始するまでの時間より長い請求項1に記載のファイバレーザ光源装置。 2. The fiber laser light source device according to claim 1, wherein a time for applying the first current is longer than a time from when the laser resonator supplies the first current to when the laser beam starts to output continuous light. 前記休止期間は、前記レーザ共振器内部の緩和振動が消滅する時間より長い請求項1に記載のファイバレーザ光源装置。 The fiber laser light source device according to claim 1, wherein the pause period is longer than a time period during which relaxation oscillations in the laser resonator disappear. 前記休止期間は、前記第2の電流により周期的な連続パルス光を出力する際に、前記レーザ制御部が前記レーザ駆動部を停止する時間とほぼ等しい請求項1に記載のファイバレーザ光源装置。 2. The fiber laser light source device according to claim 1, wherein the pause period is substantially equal to a time during which the laser control unit stops the laser driving unit when the periodic continuous pulsed light is output by the second current. 請求項1に記載のファイバレーザ光源装置と、
このファイバレーザ光源装置から出力されるレーザ光を波長変換して高調波を出力する波長変換部と、を備えた波長変換レーザ光源装置。
A fiber laser light source device according to claim 1;
A wavelength conversion laser light source device comprising: a wavelength conversion unit that converts the wavelength of laser light output from the fiber laser light source device and outputs a harmonic.
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