CN111903018B - 光纤激光装置、光纤激光装置的制造方法以及设定方法 - Google Patents

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Abstract

抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性。在光纤激光装置(FL)中以满足10(2×g1×L1‑am)/10+10(2×g1×L1+2×g2×L2‑2×at‑ar)/10＜10(2×g1×L1‑2×g2×L2‑ar)的方式设置对拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器(RF)。

Description

光纤激光装置、光纤激光装置的制造方法以及设定方法
技术领域
本发明涉及光纤激光装置。另外，涉及光纤激光装置的制造方法。另外，涉及在光纤激光装置中，对可加工的加工对象物的反射衰减量进行设定的设定方法。
背景技术
在材料加工的领域中，作为维护性和加工性优异的激光加工机，光纤激光装置受到关注。然而，在光纤激光装置中，若在光纤中被导波的激光的功率密度变高，则容易产生受激拉曼散射等非线性光学效果。而且，公知若由受激拉曼散射产生的拉曼散射光的功率变高，则光纤激光装置中的激光振荡变得不稳定(参照专利文献1)。
专利文献1：日本公开专利公报“日本特开2015-95641号公报”
然而，在现有的光纤激光装置中，存在进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性的余地。
发明内容
本发明是鉴于上述的点而完成的，其目的在于：(1)在光纤激光装置中，抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性，(2)制造在光纤激光装置中抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置，或者(3)实现在光纤激光装置中抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置。
为了解决上述课题，本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置具备放大用光纤、对从上述放大用光纤输出的激光进行导波的传输光纤，以满足下述不等式(a)的方式设置有对由上述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器。
[数1]
在这里，L1是从上述放大用光纤的端部中的与上述传输光纤侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器到上述传输光纤的端部中的与上述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置加工的加工对象物的反射衰减量。
为了解决上述课题，本发明的一个方式所涉及的制造方法是具备放大用光纤、对从上述放大用光纤输出的激光进行导波的传输光纤的光纤激光装置的制造方法，包括如下工序：以满足下述不等式(a)的方式设置对由上述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器。
[数2]
在这里，L1是从上述放大用光纤的端部中的与上述传输光纤侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器到上述传输光纤的端部中的与上述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置加工的加工对象物的反射衰减量。
为了解决上述课题，本发明的一个方式所涉及的设定方法是在具备放大用光纤、对从上述放大用光纤输出的激光进行导波的传输光纤的光纤激光装置中，对能够由上述光纤激光装置加工的加工对象物的反射衰减量ar进行设定的设定方法，以满足下述不等式(a)的方式设定上述反射衰减量ar。
[数3]
在这里，L1是从上述放大用光纤的端部中的与上述传输光纤侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器到上述传输光纤的端部中的与上述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置加工的加工对象物的反射衰减量。
根据本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置，能够抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性。另外，根据本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置的制造方法，能够制造抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置。另外，根据本发明的一个方式所涉及的设定方法，能够实现抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的光纤激光装置的结构的框图。
图2是表示图1所示的光纤激光装置中的拉曼散射光的光路的图。
图3是表示图1所示的光纤激光装置中的拉曼散射光的功率的分布的图。(a)表示加工对象物的反射率为10％的情况的拉曼散射光的功率的分布，(b)表示加工对象物的反射率为50％的情况的拉曼散射光的功率的分布。
图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的光纤激光装置的结构的框图。
图5是表示图4所示的光纤激光装置中的拉曼散射光的光路的图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
(光纤激光装置的结构)
参照图1对本发明的第一实施方式所涉及的光纤激光装置FL的结构进行说明。图1是表示本实施方式所涉及的光纤激光装置FL的结构的框图。
光纤激光装置FL是包含单一的放大用光纤的、加工用的激光装置。光纤激光装置FL例如如图1所示具备m个激发光源PS1～PSm、m个激发光纤PF1～PFm、激发合路器PC、高反射光纤布拉格光栅FBG-HR、放大用光纤AF、低反射光纤布拉格光栅FBG-LR、传输光纤DF、以及照射头H。激发光源PS1～PSm和激发光纤PF1～PFm相互一对一地对应。在这里，m是2以上的任意自然数，表示激发光源PS1～PSm和激发光纤PF1～PFm的个数。此外，在图1中，示出m＝6的情况的光纤激光装置FL的结构例。
激发光源PSj(j是1以上且m以下的自然数)生成激发光。在本实施方式中，作为激发光源PS1～PSm，使用激光二极管。激发光源PSj与激发光纤PFj的输入端连接。由激发光源PSj生成的激发光被输入到激发光纤PFj。
激发光纤PFj(j是1以上且m以下的自然数)对由激发光源PSj生成的激发光进行导波。激发光纤PFj的输出端与激发合路器PC的输入端口连接。在激发光纤PFj中被导波的激发光经由该输入端口被输入到激发合路器PC。
激发合路器PC对在各个激发光纤PF1～PFm中被导波的激发光进行合波。激发合路器PC的输出端口经由高反射光纤布拉格光栅FBG-HR与放大用光纤AF的输入端连接。由激发合路器PC合波的激发光中透过高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的激发光被输入到放大用光纤AF。
放大用光纤AF使用透过了高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的激发光，而生成激光。在本实施方式中，作为放大用光纤AF，使用在纤芯中添加了稀土类元素(例如Yb)的双包层光纤。透过了高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的激发光为了将该稀土类元素维持在反转分布状态而使用。放大用光纤AF的输出端经由低反射光纤布拉格光栅FBG-LR与上述的传输光纤DF的输入端连接。高反射光纤布拉格光栅FBG-HR在某波长带中作为反射镜发挥功能(例如，反射率成为99％)，低反射光纤布拉格光栅FBG-LR在其波长带中作为半透半反镜发挥功能(例如，反射率成为10％)。因此，放大用光纤AF与高反射光纤布拉格光栅FBG-HR和低反射光纤布拉格光栅FBG-LR一起构成对属于特定的波长带的激光进行振荡的共振器。由放大用光纤AF生成的激光中透过了该低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的激光被输入到传输光纤DF。
传输光纤DF对透过了低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的激光进行导波。在本实施方式中，作为传输光纤DF，使用单模光纤、或者少模光纤(Few Mode Fiber)。传输光纤DF的输出端与照射头H连接。在传输光纤DF中被导波的激光经由照射头H照射到加工对象物W。
(光纤激光装置的特征)
本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中的特征点在于，设置有用于反射由受激拉曼散射产生的斯托克斯光(以下，记载为“拉曼散射光”)的拉曼滤光器RF。在本实施方式中，拉曼滤光器RF设置于传输光纤DF。作为拉曼滤光器RF，可以使用光纤布拉格光栅，可以使用倾斜光纤光栅(Slanted Fiber Grating)，也可以使用长周期光纤布拉格光栅。拉曼滤光器RF被设计为使拉曼散射光的中心波长包含在反射带中，反射入射的拉曼散射光的一部分，透过一部分。
图2是表示光纤激光装置FL中的拉曼散射光的光路的图。如图2所示，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光，通过第一光路γ1或第二光路γ2从放大用光纤AF返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR。
在这里，第一光路γ1是拉曼散射光如下所述传播的光路。此外，在以下的说明中，“正向”是指与从传输光纤DF的端部出射激光的方向相同的方向，“反向”是指与从传输光纤DF的端部出射激光的方向相反的方向(在传输光纤DF内的由加工对象物W反射的反射光的导波方向)。
(1a)从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在放大用光纤AF中正向传播，
(1b)透过低反射光纤布拉格光栅FBG-LR，
(1c)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到拉曼滤光器RF为止在传输光纤DF中正向传播，
(1d)被拉曼滤光器RF反射，
(1e)从拉曼滤光器RF到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在传输光纤DF中反向传播，
(1f)透过低反射光纤布拉格光栅FBG-LR，
(1g)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR为止在放大用光纤AF中反向传播。
在第一光路γ1传播的拉曼散射光在上述的过程(1a)、过程(1c)、过程(1e)、以及过程(1g)中受到增益。在这些过程中，拉曼散射光所受到的增益为2×g1×L1[dB]。在这里，L1是从放大用光纤AF的端部中的与传输光纤DF侧相反侧的端部(放大用光纤AF与高反射光纤布拉格光栅FBG-HR侧的连接点)到拉曼滤光器RF为止的光路的长度，g1[dB]是该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益。另外，在第一光路γ1传播的拉曼散射光在上述的过程(1d)中受到损失。在该过程中拉曼散射光受到的损失为am[dB]。在这里，am[dB]是拉曼滤光器RF的反射衰减量。因此，拉曼散射光的功率在第一光路γ1传播的过程中，成为原来的功率的10(2×g1×L1-am)/10倍。
另一方面，第二光路γ2是拉曼散射光如下所述传播的光路。
(2a)从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在放大用光纤AF中正向传播，
(2b)透过低反射光纤布拉格光栅FBG-LR，
(2c)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到拉曼滤光器RF为止在传输光纤DF中正向传播，
(2d)透过拉曼滤光器RF，
(2e)从拉曼滤光器RF到照射头H为止在传输光纤DF中正向传播，
(2f)从照射头H到加工对象物W为止在空气中正向传播，
(2g)被加工对象物W反射，
(2h)从加工对象物W到照射头H为止在空气中反向传播，
(2i)从照射头H到拉曼滤光器RF为止在传输光纤DF中反向传播，
(2j)透过拉曼滤光器RF，
(2k)从拉曼滤光器RF到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在传输光纤DF中反向传播，
(2l)透过低反射光纤布拉格光栅FBG-LR，
(2m)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR为止在放大用光纤AF中反向传播。
在第二光路γ2传播的拉曼散射光在上述的过程(2a)、过程(2c)、过程(2e)、过程(2i)、过程(2k)、以及过程(2m)中受到增益。在这些过程中拉曼散射光受到的增益为2×g1×L1+2×g2×L2。在这里，L2是从拉曼滤光器RF到传输光纤DF的端部中的与放大用光纤AF侧相反侧的端部(传输光纤DF与照射头H的连接点)为止的光路的长度，g2[dB]是该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益。另外，在第二光路γ2传播的拉曼散射光在上述的过程(2d)、过程(2g)、以及过程(2j)中受到损失。在这些过程中拉曼散射光受到的损失为2×at+ar。在这里，at[dB]是拉曼滤光器RF的透过衰减量，ar[dB]是加工对象物W的反射衰减量。因此，拉曼散射光的功率在第二光路γ2传播的过程中，成为原来的功率的10(2 ×g1×L1+2×g2×L2-2×at-ar)/10倍。
如上所述，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光中，沿着第一光路γ1传播后返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的功率变成原来的功率的10(2×g1×L1-am)/10倍。另外，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光中，沿着第二光路γ2传播后返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的功率变成原来的功率的10(2×g1×L1+2×g2×L2-2×at-ar)/10倍。因此，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光中，返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的总功率变成原来的功率的10(2×g1×L1-am)/10+10(2×g1×L1+2×g2×L2-2×at-ar)/10倍。
然而，在不存在拉曼滤光器RF的情况下，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光中，返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的总功率变成原来的功率的10(2×g1×L1+2×g2×L2-ar)/10倍。这是因为，在该情况下，拉曼散射光受到增益的是，(a)从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在放大用光纤AF中正向传播的过程，(b)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到照射头H为止在传输光纤DF中正向传播的过程，(c)从照射头H到低反射光纤布拉格光栅FBG-LR为止在传输光纤DF中反向传播的过程，以及(d)从低反射光纤布拉格光栅FBG-LR到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR为止在放大用光纤AF中反向传播的过程，拉曼散射光受到损失的是被加工对象物W反射的过程。
在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中设置有拉曼滤光器RF，以使从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光中，返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的总功率，比不存在拉曼滤光器RF的情况变小。即，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中，以满足下述的不等式(1)的方式设置拉曼滤光器RF。其中，对于ar，在加工对象物W被预先确定的情况下，可以是该加工对象W的反射衰减量，在加工对象物W未被预先确定的情况下，可以是可加工的加工对象物W的反射衰减量。另外，对于ar，在可加工的加工对象物W的反射衰减量的范围被预先确定的情况下，可以是该范围的最小值、最大值、中央值等。
[数4]
此外，上述的不等式(1)通过将两边除以10(2×g1×L1)/10，从而能够变形成下述的不等式(2)。
[数5]
另外，上述的不等式(2)通过代入L2＝L－L1，从而能够变形成下述的不等式(3)。在这里，L是从放大用光纤AF的端部中的与传输光纤DF侧相反侧的端部到传输光纤DF的端部中的与放大用光纤AF侧相反侧的端部为止的光路的长度，与上述的长度L1与长度L2之和一致。以下，也将L记载为“合计光程”。
[数6]
因此，本实施方式所涉及的光纤激光装置FL可以看作是以满足上述的不等式(2)的方式设置有拉曼滤光器RF的光纤激光装置，也可以看作是以满足上述的不等式(3)的方式设置有拉曼滤光器RF的光纤激光装置。
此外，在以满足上述的不等式(1)的方式设置拉曼滤光器RF的结构中，包括以下形态：以L1和L2满足上述的不等式(1)的方式决定合计光程L以及拉曼滤光器RF的位置；在合计光程L＝L1+L2被预先确定的情况下，以L1或L2满足上述的不等式(1)的方式决定拉曼滤光器的位置；或者，以am和at满足上述的不等式(1)的方式设计或者选择拉曼滤光器RF。另外，在以满足上述的不等式(2)的方式设置拉曼滤光器RF的结构中，包括以下形态：以L2满足上述的不等式(2)的方式决定拉曼滤光器RF的位置；或者，以am和at满足上述的不等式(2)的方式设计或者选择拉曼滤光器RF。另外，在以满足上述的不等式(3)的方式设置拉曼滤光器RF的结构中，包括以下形态：以L和L1满足上述的不等式(3)的方式决定合计光程L以及拉曼滤光器RF的位置；在合计光程L＝L1+L2被预先确定的情况下，以L1满足上述的不等式(3)的方式决定拉曼滤光器RF的位置；或者，以am和at满足上述的不等式(3)的方式设计或者选择拉曼滤光器RF。
如上所述，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中以满足上述的不等式(1)～(3)中的任一个的方式设置拉曼滤光器RF。因此，根据本实施方式所涉及的光纤激光装置FL，能够抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性。
此外，在这里，假定了在从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到拉曼滤光器RF为止的光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益g1、以及在从拉曼滤光器RF到照射头H为止的光路中拉曼散射光受到的增益g2是一定的，但并不限定于此。即，拉曼散射光受到的每单位长度的增益也可以作为从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的出射端起的光程z的函数g(P(z))赋予。在这里，P(z)是从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的出射端起的光程成为z的放大用光纤部位处的激光的功率，g(P(z))是在该放大用光纤部位处拉曼散射光受到的每单位长度的增益。该情况下，上述的不等式所表现的增益g1×L1、g2×L2分别能够如下述式(4)、(5)那样置换为积分表现。
[数7]
[数8]
该情况下，上述的不等式(1)、(2)分别能够如下述的不等式(6)、(7)那样表现。
[数9]
[数10]
因此，本实施方式所涉及的光纤激光装置FL可以看作是以满足上述的不等式(6)的方式设置拉曼滤光器RF的光纤激光装置，也可以看作是以满足上述的不等式(7)的方式设置拉曼滤光器RF的光纤激光装置。
此外，若忽略高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的透过损失，则使用由下述的式(8)定义的r’oc，通过下述的式(9)给出上述的功率P(z)。在这里，L0是放大用光纤AF的长度，roc是低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的反射衰减量，toc是低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的透过衰减量，P是经由上述光纤布拉格光栅从上述放大用光纤输出的激光的功率。此外，r’oc是包括了加工对象物W的表面上的反射效果的、光纤布拉格光栅FBG-LR的表观反射衰减量。
[数11]
[数12]
此外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中，优选拉曼滤光器RF以进一步满足下述的不等式(10)的方式设置。
[数13]
在以进一步满足上述的不等式(10)的方式设置拉曼滤光器RF的情况下，形成于拉曼滤光器RF的两侧的两个共振器这两者很难满足振荡条件。因此，根据以满足上述的不等式(10)的方式设计的光纤激光装置FL，能够进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性。此外，上述的两个共振器例如可以是由从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到拉曼滤光器RF为止的光路构成的共振器、和由从拉曼滤光器RF到加工对象物W为止的光路构成的共振器。该情况下，在由这些光路构成的共振器中，与拉曼滤光器RF成对的反射镜的功能，可以由高反射光纤布拉格光栅FBG-HR承担，也可以由散射拉曼散射光的、放大用光纤AF的材料承担。
另外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中，优选拉曼滤光器RF由倾斜光纤布拉格光栅构成。在倾斜光纤布拉格光栅中，在纤芯传播的光的一部分能够与包层模式耦合，因此能够使相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和小于1。因此，在由倾斜光纤布拉格光栅构成拉曼滤光器RF的情况下，起到如下效果：能够避免由于相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和为1而产生的设计上的制约。
另外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中，优选拉曼滤光器RF由长周期光纤布拉格光栅构成。在长周期光纤布拉格光栅中，在纤芯传播的光的一部分能够与包层模式耦合，因此能够使相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和小于1。因此，在由长周期光纤布拉格光栅构成拉曼滤光器RF的情况下，起到如下效果：能够避免由于相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和为1而产生的设计上的制约。
此外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FL中，也可以使用少模光纤来作为放大用光纤AF或传输光纤DF。或者，也可以使用部分添加光纤来作为放大用光纤AF或传输光纤DF。或者，也可以使用不包括反射拉曼散射光的拉曼反射部的放大用光纤来作为放大用光纤AF。
(实施例)
作为光纤激光装置FL的实施例，准备了从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到照射头H为止的光路的长度L为24m的光纤激光装置FL。在该光纤激光装置FL中，从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到拉曼滤光器RF为止的光路的长度L1为18m，在该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益g1为1.2dB/m。另外，在该光纤激光装置FL中，从拉曼滤光器RF到照射头H为止的光路的长度L2为6m，在该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益g2为1.2dB/m。作为拉曼滤光器RF，使用了在包含拉曼散射光的中心波长的反射带中，反射衰减量am为0.5dB、透过衰减量at为10dB的光纤布拉格光栅。
在本实施例所涉及的光纤激光装置FL中，图3表示通过数值计算求出沿正向和反向传播的拉曼散射光的功率的分布的结果。图3的(a)是加工对象物W的反射率为10％(反射衰减量ar为10dB)时的拉曼散射光的功率的分布，图3的(b)是加工对象物W的反射率为50％(反射衰减量ar为3dB)时的拉曼散射光的功率的分布。在图3的(a)和(b)中，除了本实施例所涉及的光纤激光装置FL中的拉曼散射光的功率的分布(虚线)之外，还一并示出比较例所涉及的光纤激光装置中的拉曼散射光的功率的分布(实线)。在这里，比较例所涉及的光纤激光装置是指从本实施例所涉及的光纤激光装置FL除去了拉曼滤光器RF的光纤激光装置。
根据图3，无论在加工对象物W的反射率为10％的情况下，还是在加工对象物W的反射率为50％的情况下，都能够确认以下情况。即，在第一实施例所涉及的光纤激光装置FL中返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的功率，比在比较例所涉及的光纤激光装置中返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的功率小。
〔第二实施方式〕
(光纤激光装置的结构)
参照图4对本发明的第二实施方式所涉及的光纤激光装置FLS的结构进行说明。图4是表示本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS的结构的框图。
光纤激光装置FLS是包含多个放大用光纤的、加工用的激光装置。光纤激光装置FLS例如如图4所示具备n个光纤激光单元FLU1～FLUn、n个传输光纤DF1～DFn、输出合路器OC、传输光纤DF、以及照射头H。光纤激光单元FLU1～FLUn和传输光纤DF1～DFn相互一对一地对应。在这里，n是2以上的任意自然数，表示光纤激光单元FLU1～FLUn、传输光纤DF1～DFn以及后述的拉曼滤光器RF1～RFn的个数。此外，在图4中，示出n＝3的情况的光纤激光装置FLS的结构例。
光纤激光单元FLUi(i是1以上且n以下的自然数)生成激光。光纤激光单元FLUi与第一实施方式所涉及的光纤激光装置FL同样地，构成为包括m个激发光源PS1～PSm、m个激发光纤PF1～PFm、激发合路器PC、高反射光纤布拉格光栅FBG-HR、放大用光纤AF、以及低反射光纤布拉格光栅FBG-LR。光纤激光单元FLUi的低反射光纤布拉格光栅FBG-LR与传输光纤DFi的输入端连接。由光纤激光单元FLUi生成的激光被输入到传输光纤DFi。
传输光纤DFi(i是1以上且n以下的自然数)对由光纤激光单元FLUi生成的激光进行导波。在本实施方式中，作为传输光纤DF1～DFn，使用单模光纤、或者少模光纤。传输光纤DFi的输出端与输出合路器OC的输入端口连接。在传输光纤DFi中被导波的激光经由该输入端口被输入到输出合路器OC。
输出合路器OC对在各个传输光纤DF1～DFn中被导波的激光进行合波。输出合路器OC的输出端口与传输光纤DF的输入端连接。由输出合路器OC合波的激光被输入到传输光纤DF。
传输光纤DF对由输出合路器OC合波的激光进行导波。在本实施方式中，作为传输光纤DF，使用多模光纤。传输光纤DF的输出端与照射头H连接。在传输光纤DF中被导波的激光经由照射头H被照射到加工对象物W。
(光纤激光装置的特征)
光纤激光装置FLS中的特征点在于，设置有用于反射由受激拉曼散射产生的斯托克斯光(以下，记载为“拉曼散射光”)的拉曼滤光器RF1～RFn。在本实施方式中，各拉曼滤光器RFi(i是1以上且n以下的自然数)设置于传输光纤DFi。作为拉曼滤光器RF1～RFn，可以使用光纤布拉格光栅，可以使用倾斜光纤光栅，也可以使用长周期光纤布拉格光栅。拉曼滤光器RF1～RFn被设计为使拉曼散射光的中心波长包含在反射带，反射入射的拉曼散射光的一部分，透过一部分。
图5是表示各光纤激光装置FLUi中的拉曼散射光的光路的图。从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR入射到放大用光纤AF的拉曼散射光，如图5所示，通过第一光路γ1或者第二光路γ2返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR。
在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中设置有拉曼滤光器RFi，以使返回到高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的拉曼散射光的总功率比不存在拉曼滤光器RFi的情况小。即，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，以满足下述的不等式(1)的方式设置拉曼滤光器RFi。
[数14]
在这里，L1是从放大用光纤AF的端部中的与传输光纤DF侧相反侧的端部(放大用光纤AF与高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的连接点)到拉曼滤光器RFi为止的光路的长度，g1[dB]是该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益。另外，L2是从拉曼滤光器RFi到传输光纤DF的端部中的与放大用光纤AF侧相反侧的端部(传输光纤DF与照射头H的连接点)为止的光路的长度，g2[dB]是该光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益。另外，am[dB]是拉曼滤光器RFi的反射衰减量，at[dB]是拉曼滤光器RFi的透过衰减量。另外，ar[dB]是加工对象物W的反射衰减量。
此外，上述的不等式(11)通过将两边除以10(2×g1×L1)/10，能够变形为下述的不等式(12)。
[数15]
另外，上述的不等式(12)通过代入L2＝L－L1，能够变形为下述的不等式(13)。在这里，L是从放大用光纤AF的端部中的与传输光纤DF侧相反侧的端部到传输光纤DF的端部中的与放大用光纤AF侧相反侧的端部为止的光路的长度，与上述的长度L1与长度L2之和一致。
[数16]
因此，本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS可以看作是以满足上述的不等式(12)的方式设置有拉曼滤光器RFi的光纤激光装置，也可以看作是以满足上述的不等式(13)的方式设置有拉曼滤光器RFi的光纤激光装置。
如以上那样，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中以满足上述的不等式(1)～(3)中任一个的方式设置有拉曼滤光器RFi。因此，根据本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS，能够抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性。
此外，在这里，假定了从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR到拉曼滤光器RFi为止的光路中拉曼散射光受到的每单位长度的增益g1、以及从拉曼滤光器RFi到照射头H为止的光路中拉曼散射光受到的增益g2是一定的，但并不限定于此。即，拉曼散射光受到的每单位长度的增益也可以作为从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的出射端起的光程z的函数g(P(z))来赋予。在这里，P(z)是从高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的出射端起的光程成为z的放大用光纤部位处的激光的功率。该情况下，上述的不等式表现的增益g1×L1、g2×L2能够分别如下述式(14)、(15)那样一般化。
[数17]
[数18]
该情况下，上述的不等式(11)、(12)能够分别如下述的不等式(16)、(17)那样一般化。
[数19]
[数20]
因此，本实施方式所涉及的光纤激光装置FL可以看作是以满足上述的不等式(16)的方式设置有拉曼滤光器RFi的光纤激光装置，也可以看作是以满足上述的不等式(17)的方式设置有拉曼滤光器RFi的光纤激光装置。
此外，若忽略高反射光纤布拉格光栅FBG-HR的透过损失，则使用由下述的式(18)定义的r’oc，通过下述的式(19)给出上述的功率P(z)。在这里，L0是放大用光纤AF的长度，roc是低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的反射衰减量，toc是低反射光纤布拉格光栅FBG-LR的透过衰减量。
[数21]
[数22]
此外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，优选拉曼滤光器RFi以进一步满足下述的不等式(20)的方式设置。
[数23]
在以满足上述的不等式(20)的方式设置拉曼滤光器RFi的情况下，形成于拉曼滤光器RFi的两侧的两个共振器这两者难以满足振荡条件。因此，根据以满足上述的不等式(20)的方式设置了拉曼滤光器RFi的光纤激光装置FLS，能够进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性。
另外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，优选拉曼滤光器RFi由倾斜光纤布拉格光栅构成。该情况下，起到如下效果：能够避免由于相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和为1而产生的设计上的制约。
另外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，优选拉曼滤光器RFi由长周期光纤布拉格光栅构成。该情况下，起到如下效果：能够避免由于相对于拉曼散射光的反射率的绝对值与透过率的绝对值之和为1而产生的设计上的制约。
此外，在本实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，也可以使用少模光纤来作为放大用光纤AF、传输光纤DFi、或者传输光纤DF。或者，也可以使用部分添加光纤来作为放大用光纤AF、传输光纤DFi、或者传输光纤DF。或者，也可以使用不包含反射拉曼散射光的拉曼反射部的放大用光纤来作为放大用光纤AF。
〔制造方法〕
第一实施方式所涉及的光纤激光装置FL能够由包括以满足上述的不等式(1)、(2)、(3)、(6)、或者(7)的方式设置拉曼滤光器RF的工序的制造方法制造。根据该制造方法，能够制造抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光FL。另外，设置拉曼滤光器RF的工序也可以以进一步满足上述的不等式(10)的方式来实施。该情况下，能够制造进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置FL。
另外，第二实施方式所涉及的光纤激光装置FLS能够由包括以满足上述的不等式(11)、(12)、(13)、(16)、或者(17)的方式设置拉曼滤光器RFi的工序的制造方法制造。根据该制造方法，能够制造抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光FLS。另外，设置拉曼滤光器RFi的工序也可以以进一步满足上述的不等式(20)的方式来实施。该情况下，该情况下，能够制造进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置FLS。
〔设定方法〕
此外，上述的不等式(1)、(2)、(3)、(6)、或者(7)能够在第一实施方式所涉及的光纤激光装置FL中应用于设定可加工的加工对象物的反射衰减量ar的设定方法中。即，如果以满足上述的不等式(1)、(2)、(3)、(6)、或者(7)的方式设定反射衰减量ar，则能够实现抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光FL。另外，设定反射衰减量ar的工序也可以以进一步满足上述的不等式(10)的方式来实施。该情况下，该情况下，能够实现进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置FL。
另外，上述的不等式(11)、(12)、(13)、(16)、或者(17)在第二实施方式所涉及的光纤激光装置FLS中，能够应用于设定可加工的加工对象物的反射衰减量ar的设定方法中。即，如果以满足上述的不等式(11)、(12)、(13)、(16)、或者(17)的方式设定反射衰减量ar，则能够实现抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光FLS。另外，设定反射衰减量ar的工序也可以以进一步满足上述的不等式(20)的方式来实施。该情况下，能够实现进一步抑制拉曼散射光的功率的增大，其结果，进一步减少激光的振荡不稳定化的可能性的光纤激光装置FLS。
〔MOPA式的光纤激光装置〕
在上述的各实施方式中，对共振器式的光纤激光装置FL、FLS进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，本发明也可以适用于MOPA(Master Oscillator-Power Amplifier：主控振荡器的功率放大器)式的光纤激光装置。在这里，MOPA式的光纤激光装置是具备作为MO部发挥功能的激光源、作为PA部发挥功能的光纤放大器、和传输光纤的光纤激光装置。在MOPA式的光纤激光装置中，从构成PA部(光纤放大器)的放大用光纤输出的激光在传输光纤中被导波之后，被照射到加工对象物。因此，如果在MOPA式的光纤激光装置设置拉曼滤光器，则与上述的各实施方式所涉及的光纤激光装置同样地，能够抑制拉曼散射光的功率的增大，减少激光的振荡不稳定化的可能性。此外，在共振器式的光纤激光装置中，传输光纤经由光纤布拉格光栅(上述的实施方式中的低反射光纤布拉格光栅FBG-LR)与放大用光纤的下游侧的端部连接，与此相对，在MOPA侧的光纤激光装置中，传输光纤不经由光纤布拉格光栅与放大用光纤的下游侧的端部连接。
〔总结〕
本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FL、FLS)是具备放大用光纤(AF)、对从上述放大用光纤(AF)输出的激光进行导波的传输光纤(DF)的光纤激光装置(FL、FLS)，以满足下述不等式(a)的方式设置有对由上述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)。
[数24]
在这里，L1是从上述放大用光纤(AF)的端部中的与上述传输光纤(DF)侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)到上述传输光纤(DF)的端部中的与上述放大用光纤(AF)侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置(FL、FLS)进行加工的加工对象物的反射衰减量。
在本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FL、FLS)中，代替上述不等式(a)，以满足下述不等式(b)的方式设置有上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)。
[数25]
在本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FL、FLS)中，代替上述不等式(a)，以满足下述不等式(c)的方式设置有上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)。
[数26]
在这里，L是从上述放大用光纤(AF)的端部中的与上述传输光纤(DF)侧相反侧的端部到上述传输光纤(DF)的端部中的与上述放大用光纤(AF)侧相反侧的端部为止的光路的长度。
在本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FL、FLS)中，优选以进一步满足下述不等式(d)的方式设置有上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)。
[数27]
在这里，P(z)是从上述放大用光纤(AF)的端部中的与上述传输光纤(DF)侧相反侧的端部起的光程成为z的放大用光纤部位处的激光的功率，g(P(z))是在该放大用光纤部位处上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益。
在本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FL、FLS)中，优选在上述放大用光纤(AF)的端部中的上述传输光纤(DF)侧的端部设置有光纤布拉格光栅(FBG-LR)，使用由下述式(e)定义的r’oc通过下述式(f)给出上述P(z)。
[数28]
[数29]
在这里，L0是上述放大用光纤(AF)的长度，roc是上述光纤布拉格光栅(FBG-LR)的反射衰减量，toc是上述光纤布拉格光栅(FBG-LR)的透过衰减量，P是经由上述光纤布拉格光栅(FBG-LR)从上述放大用光纤(AF)输出的激光的功率。
优选本发明的一个方式所涉及的光纤激光装置(FLS)具备：包括上述放大用光纤(AF)的多个放大用光纤(AF)、对从上述多个放大用光纤(AF)分别输出的激光进行合波的合路器，上述传输光纤(DF)包括将从上述多个放大用光纤(AF)分别输出的激光导向上述合路器的传输光纤、和对由上述合路器合波后的激光进行导波的传输光纤。
本发明的一个方式所涉及的制造方法是具备放大用光纤(AF)、对从上述放大用光纤(AF)输出的激光进行导波的传输光纤(DF)的光纤激光装置(FL、FLS)的制造方法，包括以下工序：以满足下述不等式(a)的方式设置对由上述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)。
[数30]
在这里，L1是从上述放大用光纤(AF)的端部中的与上述传输光纤(DF)侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)到上述传输光纤(DF)的端部中的与上述放大用光纤(AF)侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置(FL、FLS)进行加工的加工对象物的反射衰减量。
本发明的一个方式所涉及的设定方法是在具备放大用光纤(AF)、和对从上述放大用光纤(AF)输出的激光进行导波的传输光纤(DF)的光纤激光装置(FL、FLS)中，对能够由上述光纤激光装置(FL、FLS)进行加工的加工对象物的反射衰减量ar进行设定的设定方法，以满足下述不等式(a)的方式设定上述反射衰减量ar。
[数31]
在这里，L1是从上述放大用光纤(AF)的端部中的与上述传输光纤(DF)侧相反侧的端部到上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)为止的光路的长度，g1是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)到上述传输光纤(DF)的端部中的与上述放大用光纤(AF)侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中上述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的反射衰减量，at是上述拉曼滤光器(RF、RF1～RFn)的透过衰减量，ar是能够由上述光纤激光装置(FL、FLS)进行加工的加工对象物的反射衰减量。
〔附记事项〕
本发明并不限定于上述的各实施方式，能够在权利请求范围所示的范围内进行各种变更，对于将不同的实施方式中所公开的技术方案适当地组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围。
附图标记说明
FL、FLS…光纤激光装置；PS1～PSm…激发光源；PF1～PFm…激发光纤；PC…激发合路器；FBG-HR…高反射光纤布拉格光栅；FBG-LR…低反射光纤布拉格光栅；AF…放大用光纤；DF…传输光纤；H…照射头。

Claims (8)

1.一种光纤激光装置，具备：放大用光纤；和传输光纤，对从所述放大用光纤输出的激光进行导波，其特征在于，
以满足下述不等式(a)的方式设置有对由所述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器，
[数1]
在这里，L1是从所述放大用光纤的端部中的与所述传输光纤侧相反侧的端部到所述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从所述拉曼滤光器到所述传输光纤的端部中的与所述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是所述拉曼滤光器的反射衰减量，at是所述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由所述光纤激光装置进行加工的加工对象物的反射衰减量。
2.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，
代替所述不等式(a)，以满足下述不等式(b)的方式设置有所述拉曼滤光器，
[数2]
3.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，
代替所述不等式(a)，以满足下述不等式(c)的方式设置有所述拉曼滤光器，
[数3]
在这里，L是从所述放大用光纤的端部中的与所述传输光纤侧相反侧的端部到所述传输光纤的端部中的与所述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光纤激光装置，其特征在于，
以进一步满足下述不等式(d)的方式设置有所述拉曼滤光器，
[数4]
在这里，P(z)是从所述放大用光纤的端部中的与所述传输光纤侧相反侧的端部起的光程成为z的放大用光纤部位处的激光的功率，g(P(z))是在该放大用光纤部位处所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益。
5.根据权利要求4所述的光纤激光装置，其特征在于，
在所述放大用光纤的端部中的所述传输光纤侧的端部设置有光纤布拉格光栅，使用由下述式(e)定义的r’oc通过下述式(f)给出所述P(z)，
[数5]
[数6]
在这里，L0是所述放大用光纤的长度，roc是所述光纤布拉格光栅的反射衰减量，toc是所述光纤布拉格光栅的透过衰减量，P是经由所述光纤布拉格光栅从所述放大用光纤输出的激光的功率。
6.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，
具备：包括所述放大用光纤的多个放大用光纤；以及对从所述多个放大用光纤分别输出的激光进行合波的合路器，
所述传输光纤包括将从所述多个放大用光纤分别输出的激光导向所述合路器的传输光纤、和对由所述合路器合波后的激光进行导波的传输光纤。
7.一种光纤激光装置的制造方法，所述光纤激光装置具备：放大用光纤；以及传输光纤，对从所述放大用光纤输出的激光进行导波，
其特征在于，
所述光纤激光装置的制造方法包括如下工序：以满足下述不等式(a)的方式设置对由所述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器，
[数7]
在这里，L1是从所述放大用光纤的端部中的与所述传输光纤侧相反侧的端部到所述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从所述拉曼滤光器到所述传输光纤的端部中的与所述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是所述拉曼滤光器的反射衰减量，at是所述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由所述光纤激光装置进行加工的加工对象物的反射衰减量。
8.一种设定方法，在具备放大用光纤、和对从所述放大用光纤输出的激光进行导波的传输光纤的光纤激光装置中，对能够由所述光纤激光装置进行加工的加工对象物的反射衰减量ar进行设定，其特征在于，
所述光纤激光装置设置有对由所述激光引起的受激拉曼散射所产生的拉曼散射光的一部分进行反射的拉曼滤光器，
以满足下述不等式(a)的方式设定所述反射衰减量ar，
[数8]
在这里，L1是从所述放大用光纤的端部中的与所述传输光纤侧相反侧的端部到所述拉曼滤光器为止的光路的长度，g1是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，L2是从所述拉曼滤光器到所述传输光纤的端部中的与所述放大用光纤侧相反侧的端部为止的光路的长度，g2是该光路中所述拉曼散射光受到的每单位长度的增益，am是所述拉曼滤光器的反射衰减量，at是所述拉曼滤光器的透过衰减量，ar是能够由所述光纤激光装置进行加工的加工对象物的反射衰减量。
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