CN102480102A

CN102480102A - Mopa光源

Info

Publication number: CN102480102A
Application number: CN2010105573389A
Authority: CN
Inventors: 角井素贵
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-30

Abstract

本发明涉及一种MOPA光源，其能够通过使用简单结构对基本光波的脉冲光进行波长变换来获得脉冲输出并且在不执行处理时使用简单方法抑制光输出。从种子光源输出的所述基本光波在光学放大光纤中被放大。放大的基本光波被输入给无源光纤的一端，并在所述无源光纤中传播。在所述无源光纤中，在基本光波传播时会发生受激拉曼散射。基本光波的光和受激拉曼散射分量的光被从无源光纤的另一端输出。从无源光纤输出的光通过一个透镜被校准，然后被输入给一个分路滤波器。输入给分路滤波器的光被波长分离成波长长于基本光波的受激拉曼散射分量的光，和波长小于或等于基本光波的光。

Description

MOPA光源

技术领域

本发明涉及一种主振荡器功率放大器(MOPA)光源。

背景技术

MOPA光源利用光学放大器放大从种子光源输出的种子光，并输出放大的光。例如，将半导体激光器用作种子光源，并将光纤放大器用作光学放大器。

这种MOPA光源对于各种条件具有较高的自由度，例如输出光的脉冲宽度和重复频率，因此，作为用于激光处理、光学测量和各种其它应用的脉冲光源而正在受到关注。在MOPA光源中，如在锁模设计中脉冲周期不受装置硬件结构限制。

具有如此特性的MOPA光源被用在精细激光处理和其它应用中。在这种情况中，需要脉冲激光仅照射将要处理的部分，而激光不照射其它部分。例如，在图1中，示出了这样一种处理工艺，其中通过用激光L照射作为用于处理的目标的印刷板A来开孔。在这种情况中，激光L必须要照射将要开孔的位置。然而，从已经打开某一孔的位置到将要打开下一个孔的位置的移动路径(在图中由虚线标示的)可以成为可在其上安装电子部件的焊盘，或者可以成为形成极精细布线的电路图案，并且通过激光照射一定不能引入损坏。

作为解决这种需求的MOPA光源，存在Q开关器件，例如声光开关，和在处理由于使用LBO、PPLN或另外的非线性光学晶体进行波长变换出现的二次谐波发生(SHG)和三次谐波发生(THG)中使用的器件。参见Nan Ei Yu，Sunao Kurimura，Yoshiyuki Nomura和KenjiKitamura发表的“Stable High-Power Green Light Generation withThermally Conductive Periodically Poled StoichiometricLithium Tantalate”(参见Jpn.J.of Appl.Phys.，43卷，10A期，2004年，pp.L1265-L1267)(文献1)。

当不处于脉冲振荡期间时，包括Q开关的MOPA光源仅输出弱放大自然发射(ASE)光。因此，很少关心在两个孔之间的间隔中进行的处理。

如图2所示，使用非线性光学晶体执行波长变换的MOPA光源仅在基本光波(fundamental light wave)的脉冲部分中产生谐波分量。因此，当使用分色镜或类似物来仅以谐波产生分量照射用于处理的目标时，同时不用基本波分量照射用于处理的目标，那么就不关心在两个孔之间的间隔中是否可能发生处理。

发明内容

本发明者已经研究了带有Q开关器件的传统MOPA光源，结果发现了下面的问题。

在使用非线性光学晶体执行波长变换的MOPA光源中，关心的是非线性光学晶体可能被损坏。另外，非线性光学晶体仅对特定的偏振执行波长变换。因此，当MOPA光源中包括的光学放大器是光纤放大器时，用于放大的光纤必须是偏振维持光纤，以便稳定地获得较高的波长变换效率。结果，存在难于连接和成本增加的问题。

另外，为了保持非线性光学晶体中的相位匹配条件，从种子光源输出的光的光谱宽度必须保持为大约0.1nm或更少。也就是，在用于放大的光纤中和在用于传播的下游光纤中进行光传播的处理中必须充分抑制非线性光学效应。因此，就需要使用其连接和调节都困难的LMA(大模场面积(Large-Mode-Area))光纤。另一方面，在光谱宽度太窄的情况下，将会发生受激布里渊散射，并且光源本身损坏的风险也会增加。在考虑由于较高功率入射光引起温度升高的同时，必须要将非线性光学晶体设置为最佳温度。

还能想到，通过控制提供给作为种子光源的半导体激光的驱动电流，可以在孔之间的间隔期间停止种子光源的光输出。然而，在这种情况下，驱动电流的范围一般是从几安培到几十安培，因此每次都需要至少几十微秒的上升时间和下降时间。结果，需要将射束扫过孔间间隔的时间设置为较大的值，并且因此包括开孔的时间和射束扫过时间的整个处理时间变得极长。

在孔间间隔期间停止种子光源光输出的时间段期间，光学放大器继续处于非输入状态。然而，与CW光输出差别不太大的ASE光输出继续从光学放大器输出。

当脉冲振荡被停止且种子光源总是被保持开启时，CW光输出被持续输出。在这种情况下，当继续开孔处理时，就会发生巨大的光浪涌，并且接下来MOPA光源本身就会跟着发生故障。

本发明就是为了消除上述的问题而提出来的。本发明的目的是提供一种MOPA光源，其使用光纤放大器对来自脉冲振荡的光进行放大，所述脉冲振荡能够通过使用简单结构对用作基本光波的脉冲光进行波长变换而能够获得脉冲输出，并且其在不执行处理的同时使用简单的方法就能抑制光输出。

为了实现上述目的，根据本发明的MOPA光源包括：种子光源、光纤放大器部分、无源光纤和分路滤波器。所述种子光源产生用作基本光波的脉冲光。所述光纤放大器部分对从种子光源输出的基本光波进行放大。所述无源光纤是由光纤放大器部分放大的基本光波通过其进行传播的光纤，并在基本光波传播时产生受激拉曼散射。所述分路滤波器将波长比基本光波的波长长的受激拉曼散射分量的光从由无源光纤输出的光中波长分离出来，所述分路滤波器具有一个输出端口，其主要输出受激拉曼散射分量的光。

优选的，根据本发明的MOPA光源包括一个控制器，其指令种子光源输出脉冲光或CW光。

在根据本发明的MOPA光源中，基本光波抑制比优选地应为1/10或更低，该基本光波抑制比被定义为分路滤波器的输出端口中的基本光波与分路滤波器的输入端口中的基本光波的功率比。另外，优选的是分路滤波器的光入射面关于与输入到所述光入射面的光的光路相垂直的方向倾斜3°或以上。

在根据本发明的MOPA光源中，优选的是所述种子光源具有掺杂有稀土元素的光学放大波导，并且用作基本光波的放大光是在所述光学放大波导中产生的。优选的是所述基本光波的波长应处于1.06μm的波段中。优选的是所述种子光源被设置使得能率比(duty ratio)变为大于等于1/1000且小于等于1/500。

附图说明

图1表示激光处理的一个例子；

图2为用于说明波长变换的视图；

图3为表示根据本发明的MOPA光源的一个实施例的结构的视图；

图4为根据本实施例的MOPA光源(图3)中包括的分路滤波器的传输光谱的示例；

图5表示从根据本实施例的MOPA光源(图3)中包括的端盖输出的光谱；

图6为表示其中光学衰减器和WDM耦合器与根据本实施例的MOPA(图3)中包括的无源光纤连接的结构的视图；

图7表示当无源光纤的长度为4.9m时的输出光的脉冲波形；

图8为概述在无源光纤的长度为4.9m时输出光的平均功率和每单个脉冲的脉冲能量之间的关系的表；

图9A至图9E分别表示当无源光纤的长度为4.9m时的输出光的光谱；

图10表示当无源光纤的长度为0.9m时输出光的脉冲波形；

图11为概述在无源光纤的长度为0.9m时输出光的平均功率和每单个脉冲的脉冲能量之间的关系的表；和

图12A至图12G分别表示当无源光纤的长度为0.9m时的输出光的光谱。

具体实施方式

下面，将参照图3-图8、图9A-图9E、图10-图11和图12A-图12G详细说明根据本发明的MOPA光源的实施例。在附图的说明中，相同或相应的部件由相同的参考数字指代，并且省略了重复的说明。

图3为表示根据本发明的MOPA光源的一个实施例的结构的视图。图3中所示的MOPA光源包括种子光源10、控制器11、光隔离器21至24、光学耦合器30至32、合并器33和34、放大光纤41至44、无源光纤45、带通滤波器50、端盖60、透镜70、分路滤波器80和抽运光源90、93、94₁至94₅。

种子光源10产生用作基本光波的脉冲光。优选的是种子光源10具有掺杂了稀土元素的光学放大波导，并且用作基本光波的放大光应该在所述光学放大波导中产生。优选的是种子光源10产生能率比为大于等于1/1000但小于等于1/500的基本光波。种子光源10是通过例如半导体激光器构成的。

另外，优选的是种子光源10从脉冲光和CW光中选择输出一种。控制器11指示种子光源10从脉冲光和CW光中选择输出一种。

光隔离器21至24中的每一个在前向上传送光，但阻止光在反向上前进。放大光纤41至44中的每一个都是掺杂了稀土元素的光纤。当从抽运光源90、93和94₁至94₅中的一个输出的抽运光通过光学耦合器30至32和合并器33和34中的一个提供时，所述稀土元素通过抽运光被抽运，并且因此作为基本光波的具有相同波长的光可被放大。每个抽运光源90、93和94₁至94₅是例如由半导体激光器构成的。

带通滤波器50在从放大光纤41输出的光中选择性地传送作为基本光波的具有相同波长的光。无源光纤45将从放大光纤44输出的用作基本光波的光作为输入并使其传播，并且在基本光波传播时引发受激拉曼散射。端盖60布置在无源光纤45的顶端，并从无源光纤45向外发光，透镜70对从端盖60发射的光进行校准。

分路滤波器80将波长比基本光波长的受激拉曼散射分量的光波从通过透镜70校准的光中波长分离出来，并且其具有一个输出端口，该端口选择性地输出受激拉曼散射分量的光。分路滤波器80通过例如分色镜构成，其选择性地传送波长长于基本光波的受激拉曼散射分量光，并选择性地反射波长等于小于基本光波的光。优选的，在分路滤波器80的输出端口处基本光波的抑制比应该小于等于1/10。另外，优选的是分路滤波器30将来自于关于与输入到光入射面的光的光学路径相垂直的方向倾斜大于等于3°的方向的光作为输入。

这种MOPA光源1操作如下。从抽运光源90输出的抽运光被光学耦合器30分割成两束，从一分为二得到的一个抽运光束通过光学耦合器31被提供给放大光纤41，而从一分为二得到的另一个抽运光束通过光学耦合器32被提供给放大光纤42。从抽运光源93输出的抽运光通过光学合并器33被提供给放大光纤43。另外，从抽运光源94₁至94₅输出的抽运光束通过光学合并器34被提供给放大光纤44。

从种子光源10输出的用作基本光波的光通过光隔离器21和光学耦合器31被输入给放大光纤41，并且在放大光纤41中被放大。在放大光纤41中放大的基本光波光通过带通滤波器50、光隔离器22和光学耦合器32被输入给放大光纤42，并在放大光纤42中被放大。

已经在放大光纤42中放大的基本光波光通过光隔离器23和光学合并器33输入给放大光纤43，并在放大光纤43中被放大。在放大光纤43中放大的基本光波光通过光隔离器24和光学合并器34输入给放大光纤44，并在放大光纤44中被放大。

在包括四个放大光纤41至44的光纤放大器部分中放大的基本光波被输入到无源光纤45的一端，并通过无源光纤45传播。在无源光纤45中，在基本光波传播期间会发生受激拉曼散射。基本光波和受激拉曼散射分量被从无源光纤45的另一端输出。

这里，期望无源光纤45具有等于放大光纤44的芯径和核芯NA。当这些光纤的设计不同时，就会出现拼接损失。另外，因为在放大光纤44和无源光纤45之间的拼接部分处的功率较高，所以可能会导致光学损失。

从无源光纤45输出的光在通过透镜70校准之后被输入给分路滤波器80。输入给分路滤波器80的光被波长分割成波长长于基本光波的受激拉曼散射分量光，和波长短于或等于基本光波的光。

MOPA光源1的一个特定结构的例子说明如下。种子光源10以如基本光波的1060nm波长段输出光。放大光纤41至44中的每一个都是掺杂了元素Yb并且芯径至多为10μm的光纤(YbDF)，不能将之称为LMA光纤，但其能容易的拼接和调节。

YbDF的优点是抽运波长和放大光的波长接近，以及YbDF内产生的热被保持的较低。因此，作为光学部件，YbDF优选地适用于工业用激光光源。

第一级放大光纤41是具有单包覆结构的Al共掺的石英基YbDF(Al-codoped silica-based YbDF)，其中Al的浓度为5wt％，芯径为10μm，包覆直径为125μm，长度为7m。另外，对915nm波段的抽运光的不饱和吸收为70dB/m，对975nm波段抽运光的不饱和吸收峰值是240dB/m。

第二级放大光纤42是具有单包覆结构的Al共掺的石英基YbDF，其中Al的浓度为5wt％，芯径为10μm，包覆直径为125μm，长度为7m。另外，对915nm波段的抽运光的不饱和吸收为70dB/m，对975nm波段抽运光的不饱和吸收峰值是240dB/m。

第三级放大光纤43是具有双包覆结构的基于磷酸玻璃(phosphate glass-based)的YbDF，其中P的浓度为26.4wt％，Al的浓度为0.8％wt，芯径为10μm，第一覆层直径为125μm，长度为3.6m。第一包覆层的横截面是八角形的。对915nm波段的抽运光的不饱和吸收为1.8dB/m。

第四级放大光纤44是具有双包覆结构的Al共掺的石英基YbDF，其中Al的浓度为1.5wt％，芯径为10μm，包覆层直径为128μm，长度为4m。对915nm波段的抽运光的不饱和吸收为1.5dB/m。

从抽运光源90、93、94₁至94₅的每一个输出的抽运光束的波长在0.975μm波段内。抽运光源90的输出光纤的芯径为6μm，NA为0.08。抽运光源93和94₁至94₅的输出光纤的芯径为105μm，NA为0.22。提供给每个放大光纤41和42的抽运光功率为200mW。提供给放大光纤43的抽运光功率是2W。提供给放大光纤44的抽运光功率是30W。

在具有上述特定结构的MOPA光源1中，当使种子光源10执行CW操作时，从端盖60输出的光功率是18.5W。

分路滤波器80具有图4所示的传输光谱。可使用介电多层膜滤波器来实现具有这种满意的波长分离特性的分路滤波器80。为了减小对分路滤波器80光学损坏的危险，期望使入射在分路滤波器80上的光的射束直径被扩大到近似10mm。另外，当分路滤波器80被垂直安装到光路中时，通过分路滤波器80反射的光变为返回光，并且关心的是种子光源可能被破坏。由于这个原因，如图3所示，期望分路滤波器80应该以例如对光路成45°角来安装。

分路滤波器80阻止1060nm的波长分量，仅透射波长比此长的分量。图5表示从图3中所示的MOPA光源1中包括的端盖60输出的光的光谱。此时，抽运光源90的驱动电流被设置为850mA。抽运光源93的驱动电流被设置为2A，并且抽运光源94₁至94₅的每个的驱动电流被设置为6A。从种子光源10输出的脉冲光的重复频率的教导值(teach)为100kHz和50kHz，脉冲宽度为10ns。如图5所示，在从端盖60输出的光的光谱中，受激拉曼散射分量在1060nm波段的长波长侧上传播，所述1060nm波段是从种子光源10输出的种子光的波长。分路滤波器80选择性地传输这种受激拉曼散射分量。

假设考虑图6所示的结构来代替图3中的端盖60、透镜70和分路滤波器80。也就是，从无源光纤45的发射段输出的光通过光学衰减器100被衰减，然后通过975/1060nm WDM耦合器110将这种光部分分支出来。图7-8、9A-9E、10-11、12A-126表示从WDM耦合器110的975nm输出端口输出的光的脉冲波型和光谱的测量结果。

图7-8、图9A-9E、图10-11、图12A-12G为表示当无源光纤45的波长为4.9m时的输出光特性的视图。尤其是，图7表示输出光的脉冲波形(驱动电流：6A；和重复频率：500kHz，312.5kHz，200kHz，166.7kHz和100kHz)。图8为概述输出光的平均输出值和每单个脉冲的脉冲能量之间的关系的表。另外，图9A-9E分别为当无源光纤的长度为4.9m时的输出光的光谱。具体的说，图9A表示在重复频率被设置为500kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图9B表示在重复频率被设置为312.5kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图9C表示在重复频率被设置为200kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图9D表示在重复频率被设置为166.7kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，以及图9E表示在重复频率被设置为100kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱。当使无源光纤45的长度为4.9m时，在79.87kHz或更低值的脉冲重复频率下不会发生受激拉曼散射，而与长度无关。因此，在图7-8和9A-9E中，脉冲频率被设置为100kHz或更高。

图10-11和图12A-12G表示当无源光纤45的长度为0.9m时的输出光特性。具体的，图10表示输出光的脉冲波形(驱动电流：6A；和重复频率：500kHz，312.5kHz，200kHz，166.7kHz，100kHz，79.87kHz和50kHz)。图11为概述输出光的平均输出值和每单个脉冲的脉冲能量之间的关系的表。另外，图12A-12G分别为当无源光纤的长度为0.9m时的输出光光谱。具体的说，图12A表示在重复频率被设置为500kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图12B表示在重复频率被设置为312.5kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图12C表示在重复频率被设置为200kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图12D表示在重复频率被设置为166.7kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图12E表示在重复频率被设置为100kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，图12F表示在重复频率被设置为79.87kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱，和图12G表示在重复频率被设置为50kHz且驱动电流被设置为6A条件下的输出光光谱。当使无源光纤45的长度为0.9m时，脉冲峰值在79.87kHz的脉冲重复频率下达到50kW。

另外，图7和图10的输出光脉冲波形是校正光学衰减器100中的损失之后的值。

为了增大脉冲峰值，重要的是应降低脉冲重复频率，并且为此重要的是应该使无源光纤45较短。另一方面，为了提高转换效率，重要的是应使无源光纤45较长。也就是，无源光纤45的长度4.9m和0.9m实质上等于实际激光处理光源装置中的传输光纤长度的上限和下限。

当使无源光纤45的长度为4.9m时，并且当脉冲重复频率是166.7kHz时，脉冲峰值最大达到30kW。甚至当脉冲重复频率从此值降至100kHz时，脉冲峰值不会极大增加，并且脉冲峰值至多保持在30kW。并且，平均输出在脉冲重复频率为166.7kHz时为最大，超过了9W，近似等于在上述CW操作时的18.5W的光输出的一半。该50％变换效率与在上面的文献1中所述的SHG变换效率相当，并且高于THG的情况。

另一方面，当使无源光纤45的长度为0.9m时，平均输出在脉冲重复频率为100kHz时达7.4W，如图11中所示，而在变换频率保持在近似40％时，脉冲峰值近似达到50kW。

换句话说，在根据用于处理的目标连同脉冲重复频率适当地调整无源光纤45的长度时，期望能够实现预期峰值功率和脉冲重复频率的组合。

根据本实施例，能够避免下面的问题：当使用非线性光学晶体时，成本增加并且可靠性降低，以及在利用一个结构来保持光纤放大器部分中的偏振时制造处理的成本和数量增加。另外，不需要引入LMA光纤以便避免光纤放大器部分的非线性效应。

从种子光源10输出的基本光波的能率比优选的为大于等于1/1000，但小于等于1/500。所述能率比的上限被设置为脉冲峰值不会变小的极限值。同时，能率比的下限被设置为用于保持拉曼变换效率的最低极限比。

本发明并不局限于上面的实施例，而是能够做出各种修改。例如，在与长波长侧上的受激拉曼散射分量分开的处理中使用所述基本光波和在分路滤波器80中被反射的在短波长侧的受激拉曼散射分量。

另外，在未进行处理时，通过控制器11的控制而将种子光源10切换为CW光输出，从无源光纤45不会产生受激拉曼散射分量，并且如此从长波长侧上的受激拉曼散射分量的分路滤波器80的输出端口的输出实质上变为零。基本光波的短波长侧上的ASE光分量被分路滤波器80消除。

另外，无源光纤45的长度被限制为某些值以便执行波长变换，并且因此存在所述长度不适于传播的情况。在这些情况下，受激拉曼散射不容易发生的用于传播的分离光纤可被布置在分路滤波器80那边的光学系统传播路径的部分上。

如上所述，根据本发明的MOPA光源可使用简单的结构执行基本光波脉冲的波长变换来获得脉冲输出，并且另外使用简单方法就能够在未执行处理时抑制光输出。

Claims

1.一种MOPA光源，包括：

种子光源，产生用作基本光波的脉冲光；

光纤放大器部分，对从种子光源输出的基本光波进行放大；

无源光纤，对由光纤放大器部分放大的基本光波进行传播，并在基本光波传播时产生受激拉曼散射；和

分路滤波器，从由无源光纤输出的光中波长分离出受激拉曼散射分量的光，其中每个受激拉曼散射分量的光的波长比基本光波的波长更长，所述分路滤波器具有一个输出端口，其主要输出受激拉曼散射分量的光。

2.根据权利要求1所述的MOPA光源，还包括一个控制器，其控制种子光源以使得种子光源输出脉冲光或CW光。

3.根据权利要求1所述的MOPA光源，其中在分路滤波器的输出端口处的基本光波的抑制比为1/10或更低。

4.根据权利要求1所述的MOPA光源，其中分路滤波器的光入射面关于与输入到所述光入射面的光的光路相垂直的方向倾斜3°或以上。

5.根据权利要求1所述的MOPA光源，其中所述种子光源包括掺杂了稀土元素的光学放大波导，并且基本光波的放大光是在所述光学放大波导中产生的。

6.根据权利要求1所述的MOPA光源，其中所述基本光波的波长处于1.06μm的波段中。

7.根据权利要求1所述的MOPA光源，其中所述种子光源被设置以使得能率比成为大于等于1/1000且小于等于1/500。