JP2006313858A - レーザ光源、レーザ発振方法およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より精密なレーザ加工を行うことができるレーザ光源等を提供する。
【解決手段】 レーザ光源１は、パルスレーザ光λ_１，λ_２を互いに同一の繰り返し周波数で出力する光源部１０と、この光源部１０から出力されたパルスレーザ光λ_１，λ_２を共通の光増幅媒体により増幅して出力する光増幅部２０と、この光増幅部２０から出力されたパルスレーザ光λ_１，λ_２を互いに分波する光分波部３０と、この光分波部３０により分波されたパルスレーザ光λ_１，λ_２を合波して出力する光合波部４０と、光分波部３０と光合波部４０との間においてパルスレーザ光λ_１，λ_２の間の光路長差を調整する光路長差設定部５０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工用途（加工・改質またはクリーニングなど）に好適なレーザ光源およびレーザ発振方法ならびにレーザ加工方法に関するものである。また、長距離や被測定物を破壊するなど、高出力光源を必要とする計測用とにも本発明は有効である。

レーザ光源は通信用途だけでなく加工用途にも用いられる。加工用途（特に微細加工）に用いられるレーザ光源は、出力レーザ光の平均パワーが大きいこと、出力レーザ光の品質Ｍ^２が優れていること、出力レーザ光のピークパワーが大きいこと、および、出力レーザ光のパルスエネルギが大きいこと、が要求される。

例えば非特許文献１や非特許文献２に記載されているレーザ光源は、ＭＯＰＡ（MasterOscillator Power Amplifier）構成のものであって、パルスレーザ光を出力する光源部と、この光源部から出力されたパルスレーザ光を光増幅媒体により増幅して出力する光増幅部とを備えていて、加工用途に用いられ得るものである。
M.-Y. Chen, et al., "27-mJ nanosecond pulses in M2=6.5beam from a coiled highly multimode Yb-doped fiber amplifier", CLEO'2004Technical Digest, CTuS4 J. Limpert, et al., "Extended large-mode-areasingle-mode microstructured fiber laser", CLEO'2004 Technical Digest, CMS6

ところで、加工対象物を精密にレーザ加工するには、レ−ザ光源から出力されるパルスレーザ光のパルス形状も重要である。例えば、金属をレーザ加工する際に、パルスレーザ光の各パルスにおいて、当初にはピークパワーを低めにして溶融させた後に、終盤にパルスエネルギを高くして一挙に蒸発除去することが考えられる。また、例えば、２つのパルス光を１組として、各組において、１段目のパルス光で加工した後に、２段目の低いエネルギのパルス光を照射して、除去くずの再付着を防ぐことが考えられる。このように、加工用途においては、レ−ザ光源から出力されるパルスレーザ光は、より好適なパルス形状，パルス間隔またはパルスエネルギに設定され得ることが好ましい。

しかしながら、上記２文献に記載されたものを含めて従来のレーザ光源は、このような点については自由度がない。このことから、従来のレーザ光源を用いたレーザ加工では、加工対象物を精密に加工することができない場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、より精密なレーザ加工を行うことができるレーザ光源、このレーザ光源を用いたレーザ発振方法およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ光源は、第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光をそれぞれ第１のパルス周期、第２のパルス周期で出力する光源部と、この光源部から出力された第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を共通の光増幅媒体により増幅して出力する光増幅部と、この光増幅部から出力された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを互いに分波する光分波部と、この光分波部により分波された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを合波して出力する光合波部と、光分波部と光合波部との間における第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光の光路長差を設定する光路長差設定部とを備えることを特徴とする。

なお、光路長差設定部による光路長差の設定は、工場で調整して固定する場合、ファイバである程度光路長差を確保した上で空間調整で微調整する半固定の場合、および、顧客が自由に調整できる可変の場合、を含む。

このレーザ光源では、光源部から出力される第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光は、所定の周期で元の状態に戻る周波数のものであって、光増幅部に含まれる共通の光増幅媒体により一括光増幅された後に、光分波部により互いに分波される。光分波部により分波された第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光は、光路長差設定部により光路長差が設定された後に、光合波部により合波されて出力される。光源部から出力される第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光それぞれのパルス形状や相互間隔、および、光路長差設定部による光路長差の設定量に応じて、光合波部により合波されて出力されるパルスレーザ光は、より好適なパルス形状，パルス間隔またはパルスエネルギに設定されることが可能となる。

本発明に係るレーザ光源の光源部が、第１波長のパルスレーザ光を出力する第１光源と、第２波長のパルスレーザ光を出力する第２光源と、第１光源から出力された第１波長のパルスレーザ光と第２光源から出力された第２波長のパルスレーザ光とを合波して出力する光合波器と、を含むのが好適である。この場合には、第１光源から第１波長のパルスレーザ光が出力されるとともに、第２光源から第２波長のパルスレーザ光が出力され、これらの第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光が光合波器により合波されて光源部からの出力となる。

本発明に係るレーザ光源の光源部がモードロックファイバレーザ光源を含むのが好適である。この場合には、第１波長および第２波長それぞれが安定して、レーザ光源の動作が安定する。

本発明に係るレーザ光源の光源部は、光増幅部に対する第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光の入力のタイミングを制御する発振間隔制御機構を有するが好適である。また、光増幅部が希土類元素添加光ファイバ増幅器であるのが好適である。これらの場合には、第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光それぞれは、光増幅部において高利得で光増幅される。

本発明に係るレーザ光源の光合波部が、第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを空間伝搬させた後、光合波部で合波するのが好適である。この場合には、光ファイバの非線形限界を考慮することなく、ハイパワーのパルスレーザ光を合波することができる。また、光増幅部は第1波長および第２波長で伝搬モード数が１となる光ファイバを有し、光合波部により合波されて出力される光の品質Ｍ^２が１.５以下であるのが好適である。

本発明に係るレーザ光源の光路長差設定部は、第１波長のパルスレーザ光の光路および第２波長のパルスレーザ光の光路の双方または一方の少なくとも一部に光路長を調整する光導波路を含むのが好適である。この場合には、光導波路の長さを調整することにより、光分波部と光合波部との間において第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光との間の光路長差を調整することができる。また、光路長差設定部は、光路長差の調整量が可変である光路長差可変調整部を有するのが好適である。

本発明に係るレーザ発振方法は、光源部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を所定の周期で元の状態に戻る周波数で出力し、この光源部から出力された第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を光増幅部において共通の光増幅媒体により増幅して出力し、この光増幅部から出力された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを光分波部により互いに分波し、この光分波部により分波された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光との間の光路長差を光路長差設定部により設定し、この光路長差設定部により光路長差が設定された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを光合波部により合波して出力することを特徴とする。

本発明に係るレーザ発振方法は、光分波部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を互いに異なるタイミングで出力し、光合波部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を少なくとも一部が互いに重なるタイミングで出力するのが好適である。また、光源部から出力される第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光それぞれのパルス幅、パワーおよび出力のタイミングの何れか一つ以上を調整して、光合波器から出力されるパルスレーザ光のパルス群の形状を所望の形状とするのが好適である。また、光路長差設定部により光路長差の設定を調整して、光合波器から出力されるパルスレーザ光のパルス群の形状を変更するのも好適である。なお、パルス群の形状とは、パルス群を形成する個々のパルス成分の形状（パルス成分の幅およびパワー）とパルス成分間の間隔（パルス成分の出力タイミング差）を指す。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、上記の本発明に係るレーザ発振方法により出力されたパルスレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工することを特徴とする。

本発明によれば、より精密なレーザ加工を行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。この図に示されるレーザ光源１は、加工対象物２にパルスレーザ光を照射して該加工対象物２を加工するものであって、光源部１０、光増幅部２０、光分波部３０、光合波部４０および光路長差設定部５０を備える。

光源部１０は、第１波長λ_１のパルスレーザ光（以下「パルスレーザ光λ_１」と記す。）および第２波長λ_２のパルスレーザ光（以下「パルスレーザ光λ_２」と記す。）を、所定の周期で元の状態に戻る周波数で出力するものである。より具体的には、光源部１０は、第１光源１１、第２光源１２、光合波器１３および制御部１４を含む。第１光源１１はパルスレーザ光λ_１を出力する。第２光源１２はパルスレーザ光λ_２を出力する。第１光源１１および第２光源１２それぞれは、好適には、直接変調駆動されるレーザダイオードを含み、或いは、連続駆動されるレーザダイオードおよび外部変調器を含む。光合波器１３は、第１光源１１から出力されたパルスレーザ光λ_１を入力するとともに、第２光源１２から出力されたパルスレーザ光λ_２をも入力して、これらパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２とを合波して出力する。制御部１４は、第１光源１１から出力されるパルスレーザ光λ_１および第２光源１２から出力されるパルスレーザ光λ_２それぞれについて、パルス幅，相互間隔およびパワーのいずれか一つ以上を調整する。λ_１、λ_２は、光増幅部２０で増幅が可能であり光分波部３０，光合波部４０で合分波が可能な範囲で設定できれば良い。

光増幅部２０は、光源部１０の光合波器１３から合波されて出力されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を入力して、これらパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を共通の光増幅媒体により増幅して出力する。光増幅部２０は、好適には、希土類元素が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として含む希土類元素添加光ファイバ増幅器を含む。また、この光増幅部２０は、１段の光増幅媒体を含むものであってもよいが、多段の光増幅媒体を含むものであるのが好適である。

光分波部３０は、光増幅部２０から出力されたパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２とを互いに分波して、パルスレーザ光λ_１を光ファイバ５１の一端に入射させ、パルスレーザ光λ_２を光ファイバ５２の一端に入射させる。レンズ６１は、光ファイバ５１の他端から出射されたパルスレーザ光λ_１をコリメートする。レンズ６２は、光ファイバ５２の他端から出射されたパルスレーザ光λ_２をコリメートする。

光合波部４０は、レンズ６１によりコリメートされたパルスレーザ光λ_１を入力するとともに、レンズ６２によりコリメートされたパルスレーザ光λ_２をも入力して、これらパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２とを合波して出力する。レンズ６３は、光合波部４０から合波されて出力されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を入力して、これらを収斂させて加工対象物２に集光照射させる。

光路長差設定部５０は、光分波部３０と光合波部４０との間におけるパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２の光路長差を設定するものであって、長さの異なる光ファイバ５１、光ファイバ５２および空間光路長可変部５３を含む。光分波部３０から光合波部４０に到るまでのパルスレーザ光λ_１の光路長は、光ファイバ５１の光路長と、それ以外の空間伝送部分の光路長とを含む。光分波部３０から光合波部４０に到るまでのパルスレーザ光λ_２の光路長は、光ファイバ５２の光路長と、それ以外の空間伝送部分の光路長とを含む。

光ファイバ５１，５２それぞれのファイバ光路長や空間伝送部分の空間光路長を調整することにより、光分波部３０と光合波部４０との間においてパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２との間の全体の光路長差を調整することができる。空間光路長可変部５３は、光ファイバ５２の出射端およびレンズ６２を一体にして当該光軸方向に移動させることができる。この移動により、光分波部３０と光合波部４０との間においてパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２との間の光路長差の調整量を可変とすることができる。

図２は、本実施形態に係るレーザ光源１に含まれる光増幅部２０の構成図である。この図に示されるように、光増幅部２０は、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２を含む２段構成であるのが好適であり、また、希土類元素添加光ファイバを光増幅媒体として含む希土類元素添加光ファイバ増幅器をプリアンプ２１およびパワーアンプ２２それぞれとして含むのが好適である。

プリアンプ２１は、希土類元素添加光ファイバ２１１、励起光源２１２および光カプラ２１３を含む。励起光源２１２は、希土類元素添加光ファイバ２１１に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を連続出力するものであり、好適にはレーザダイオードである。光カプラ２１３は、励起光源２１２から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ２１１に供給するとともに、光源部１０から出力されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を希土類元素添加光ファイバ２１１に入射させる。そして、希土類元素添加光ファイバ２１１は、これらパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を一括光増幅してメインアンプ２２へ出力する。

メインアンプ２２は、希土類元素添加光ファイバ２２１、励起光源２２２および光カプラ２２３を含む。励起光源２２２は、希土類元素添加光ファイバ２２１に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を連続出力するものであり、好適にはレーザダイオードである。光カプラ２２３は、励起光源２２２から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ２２１に供給するとともに、プリアンプ２１から出力されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を希土類元素添加光ファイバ２２１に入射させる。そして、希土類元素添加光ファイバ２２１は、これらパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２を一括光増幅して光分波部３０へ出力する。

以上のように構成されるレーザ発振器１は以下のように動作する。プリアンプ２１において、励起光源２１２から出力された励起光は、光カプラ２１３を経て希土類元素添加光ファイバ２１１に供給される。また、メインアンプ２２において、励起光源２２２から出力された励起光は、光カプラ２２３を経て希土類元素添加光ファイバ２２１に供給される。光源部１０において、第１光源１１からパルスレーザ光λ_１が出力されるとともに、第２光源１２からパルスレーザ光λ_２が出力されて、これらパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２が光合波器１３により合波されて光源部１０から出力される。

光源部１０から合波されて出力されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２は、光増幅部２０内のプリアンプ２１の希土類元素添加光ファイバ２１１において一括光増幅され、さらに、メインアンプ２２の希土類元素添加光ファイバ２２１において一括光増幅される。

光増幅部２０において一括光増幅されたパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２は、光分波部３０により互いに分波される。光分波部３０により分波されて出力された一方のパルスレーザ光λ_１は、光ファイバ５１の一端に入射して該光ファイバ５１により導波され、光ファイバ５１の他端から出射してレンズ６１によりコリメートされる。また、光分波部３０により分波されて出力された他方のパルスレーザ光λ_２は、光ファイバ５２の一端に入射して該光ファイバ５２により導波され、光ファイバ５２の他端から出射してレンズ６２によりコリメートされる。

レンズ６１によりコリメートされたパルスレーザ光λ_１、および、レンズ６２によりコリメートされたパルスレーザ光λ_２は、光合波部４０により合波され、レンズ６３により収斂されて、加工対象物２に集光照射される。このレーザ光照射により加工対象物２は加工される。このとき、光合波部４０により合波されて出力される光の品質Ｍ^２は１.５以下であるのが好適である。レーザ精密加工でＭ^２が小さいのが望ましいのは、(1) ームをより小スポットに集光できるのでより微細な加工が可能である、(2) より小スポットに集光できる結果ビームエネルギー密度が高くなるのでより効率的な加工ができる、理由による。

ところで、パルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２それぞれの繰り返し周波数は互いに同一である。また、光源部１０から出力される際のパルスレーザ光λ_１およびパルスレーザ光λ_２それぞれのパルス幅，相互間隔およびパワーの何れかは、制御部１４により調整される。さらに、光分波部３０と光合波部４０との間においてパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２との間の光路長差は光路長差設定部５０において調整され、その光路長差の調整量はマクロにはファイバ５２の長さによって、ミクロには空間光路長可変部５３により可変である。このことから、光合波部４０により合波されレンズ６３により収斂されて加工対象物２に集光照射されるパルスレーザ光は、より好適なパルス形状，パルス間隔またはパルスエネルギに設定されることが可能となり、加工対象物２をより精密に加工することができる。

以下では、本実施形態に係るレーザ光源１のより具体的な構成および動作例について説明するとともに、このレーザ光源１を用いたレーザ発振方法およびレーザ加工方法について説明する。

第１光源１１は、中心波長λ_１が１０８０ｎｍであるパルスレーザ光を出力するレーザダイオードを含む。また、第２光源１２は、中心波長λ_２が１１００ｎｍであるパルスレーザ光を出力するレーザダイオードを含む。これら第１光源１１および第２光源１２それぞれは、一定周期で強度変調された駆動電流が各レーザダイオードに注入されて直接変調され、各パルスレーザ光を出力する。

このような直接変調をした場合、第１光源１１および第２光源１２それぞれの構成が簡素というメリットがあるが、その一方で、出力されるパルスレーザ光の各パルスにおいて光周波数が変動するというチャーピング現象が発生する。チャーピングの量（光周波数の変動量）は、駆動電流の"０" レベル設定や振幅、レーザダイオードチップ自体の物性により決定される。

このようなチャーピング現象に因り光合波器１２，光分波部３０または光合波部４０における合分波の際に支障が生じるような場合には、第１光源１１および第２光源１２それぞれにおいて、レーザダイオードを直接変調するのではなく、レーザダイオードからＣＷレーザ光を出力させて外部変調するのが好適である。或いは、第１光源１１および第２光源１２それぞれにおいて、モードロックによるＮｄ元素またはＹｂ元素を添加した固体レーザ光源やファイバレーザ光源を用いるのも好適である。

なお、光源部１０は、２波長のパルスレーザ光を出力するものでなくてもよく、３波長以上のパルスレーザ光を出力するものであってもよい。ただし、光源部１０から出力されるパルスレーザ光の各波長は、光増幅部２０が利得を有する波長帯域の範囲内にあることが必要である。光増幅部２０内の希土類元素添加光ファイバ２１１，２２１それぞれが希土類元素としてＹｂ元素を含有するものであれば、光増幅部２０の利得帯域が１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍであるので、光源部１０から出力されるパルスレーザ光の各波長は該利得帯域の範囲内にあることが必要である。また、光源部１０から出力されるパルスレーザ光の各波長の間隔は、光合波器１２，光分波部３０および光合波部４０それぞれの光合分波特性から決定される。例えば４波長であれば、１０６０ｎｍ，１０７４ｎｍ，１０８８ｎｍおよび１１０２ｎｍといった値である。

第１光源１１および第２光源１２それぞれは、パルス周波数１〜１００ｋＨｚで発振することができ、相互の発振間隔の調整が可能である。

なお、各波長のパルスレーザ光についてプリアンプ２１およびパワーアンプ２２それぞれが発揮する最大の利得を実現する為に、各波長のパルスは同時には光増幅部２０に入射しないことが望ましい。そのために、第１光源１１および第２光源１２それぞれは、同一の繰り返し周波数で、異なる位相で駆動することが好適である。

第１光源１１および第２光源１２それぞれから出力されるパルスレーザ光は、パルス幅が１０ｎｓからＣＷまで可変であり、発振時の定格パワーが４００ｍＷである。第１光源１１から出力されるパルスレーザ光λ_１と第２光源１２から出力されるパルスレーザ光λ_２とは、光合波器１３により合波された後、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２を含む２段構成の光増幅部２０により最大５０ｄＢ（すなわち、ピークパワー４０ｋＷ）まで増幅される。

このピークパワー４０ｋＷというのは、パワーアンプ２２内の希土類元素添加光ファイバ２２１が非線形性の影響を受ける領域に入っている。すなわち、単純に希土類元素添加光ファイバ２１１，２２１に供給される励起光のパワーを高くしたり、或いは、同じ希土類元素添加光ファイバを更に１段設けて光増幅したりしても、ピークパワーを４０ｋＷより大きく上げることはできない。

メインアンプ２２内の希土類元素添加光ファイバ２２１は、コアＮＡが０.０６である大口径Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ（ＹｂＤＦ）で、コア径が３０μｍであり、内クラッド径が３５０μｍであり、第２クラッドが低屈折率樹脂製であり、クラッドＮＡが０.６である。プリアンプ２１内の希土類元素添加光ファイバ２１１は、希土類元素添加光ファイバ２２１と略同様の構成のものであるが、コア径が８μｍであり、内クラッド径が２５０μｍである。ファイバ２１１のコアは１μｍ帯でシングルモードで伝送する。ファイバ２２１は１μｍ帯でシングルモードではないが、入力する信号がシングルモードであるため出力部３０のビームパターンＭ^２は１.５以下になる。

プリアンプ２１内の励起光源２１２は、パワー１０Ｗで波長９７８ｎｍの励起光を連続出力する。また、パワーアンプ２２内の励起光源２２２は、パワー１２０Ｗで波長９７８ｎｍの励起光を連続出力する。光増幅部２０において光増幅されたパルスレーザ光λ_１，λ_２は光分波部３０により分波される。分波された一方のパルスレーザ光λ_１（１０８０ｎｍ）は光ファイバ５１に入射して導波され、他方のパルスレーザ光λ_２（１１００ｎｍ）は光ファイバ５２に入射して導波される。

光ファイバ５１，５２は、パワーアンプ２２内の希土類元素添加光ファイバ２２１とコア部の構造が略同等のものであって、コアが純ＳｉＯ_２ガラスからなり、ダブルクラッド構造ではなく、ＮＡが０.０６であり、コア径が３０μｍであり、クラッド径が２００μｍである。光ファイバ５２の長さは、目標遅延時間によって決定され、好適には実験的に長さが調整される。また、長さの異なる光ファイバを複数用意しておき、光ファイバ５２を入れ替えることによって遅延時間を変更することができる。この方法は１０ｎｓ〜１００μｓの遅延時間の変更に好適である。光ファイバ５１，５２により導波されたパルスレーザ光λ_１，λ_２は、光合波部４０により空間的に合波され、レンズ６３により加工対象物２に集光照射される。

光分波部３０と光合波部４０との間にある空間光路長可変部５３により、光ファイバ５２の出射端およびレンズ６２が一体にして当該光軸方向に移動される。この移動により、光分波部３０と光合波部４０との間においてパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２との間の光路長差の調整量を可変とすることができる。例えば、移動量が１５ｃｍであれば、光路長差の調整量は０.５ｎｓである。また、ｎｓオーダーの光路長差の調整と同等のパルス波形成形は、第１光源１１および第２光源１２それぞれにおけるパルス発振タイミングを制御することでも可能である。

図３は、本実施形態に係るレーザ光源１における第１動作例の説明図である。同図（ａ）は、光増幅部２０から出力されるパルスレーザ光の波形を示す。また、同図（ｂ）は、光合波部４０により合波されて出力されるパルスレーザ光の波形を示す。ここでは、第１光源１１および第２光源１２それぞれから出力されるパルスレーザ光は、パルス繰り返し周波数が５０ｋＨｚであり、各パルス幅が２０ｎｓであり、パワーが４００ｍＷであり、相互のパルス間隔が１０μｓであるとした。プリアンプ２１内の励起光源２１２から出力される励起光のパワーは１０Ｗであり、パワーアンプ２２内の励起光源２２２から出力される励起光のパワーは１２０Ｗであるとした。

図３（ａ）に示されるように、光増幅部２０から出力されるパルスレーザ光は、波長λ_１のパルスと波長λ_２のパルスとが交互に存在し、全体としてパルス繰り返し周波数が１００ｋＨｚであり、各パルスの幅が２０ｎｓであり、各パルスのエネルギが０.８ｍＪ（計算上のピークパワーが４０ｋＷ）であった。

また、光ファイバ５２の長さを約２ｋｍに調整して、光分波部３０と光合波部４０との間のパルスレーザ光λ_１とパルスレーザ光λ_２との間の伝搬時間差を１０μｓとした。波長１.１μｍ帯における光ファイバ５２の長さ２ｋｍに亘る伝送損失は１.２ｄＢであった。したがって、図３（ｂ）に示されるように、光合波部４０により合波されて加工対象物２に照射されるパルスレーザ光は、各パルスのエネルギが１.４ｍＪであり、各パルスの幅が２０ｎｓであり、繰り返し周波数が５０ｋＨｚであり、計算上のピークパワーが７０ｋＷであった。

なお、光ファイバ５２の長さは、光合波部４０による合波の後に各波長のパルスがちょうど重なるように調整される。また、温度変動などの微小なずれは、空間光路長可変部５３による移動により調整が可能である。この第１動作例では、レーザ光源１から出力されて加工対象物２に照射されるパルスレーザ光は、高ピークパワーであって高パルスエネルギのものとなる。

図４は、本実施形態に係るレーザ光源１における第２動作例の説明図である。同図（ａ）は、光増幅部２０から出力されるパルスレーザ光の波形を示す。また、同図（ｂ）は、光合波部４０により合波されて出力されるパルスレーザ光の波形を示す。第２動作例における光源部１０および光増幅部２０それぞれの動作は、第１動作例の場合と同様である。第２動作例では、光ファイバ５２を４０ｍだけ短くした。これにより、パルスレーザ光λ_２のパルスは、パルスレーザ光λ_１のパルスより、時間にして２００ｎｓだけ加工対象物２に先に到達する。このようにして、ダブルパルス型のパルスレーザが実現できる。なお、この第２動作例では光ファイバ５２の損失分だけ先行パルスのパワーが１０％程度だけ低くなる。逆に先行パワーを強くしたければ光ファイバ５２の長さを長くすればよい。

なお、１００ｋＨｚ程度までの繰返しにおいて１ｍｓ以下の時間調整であれば、パルスレーザ光λ_１,λ_２のパルス間隔の相互間隔の調整によってもよく、頻繁にこの条件を変更するときはパルス間隔の調整、定常的に図４〜図７のパルス形状を使用する場合はファイバ長の調整を用いる等適宜使い分けることが可能である。

図５〜図７それぞれは、本実施形態に係るレーザ光源１における他の動作例の説明図である。各図（ａ）は、光増幅部２０から出力されるパルスレーザ光の波形を示す。また、各図（ｂ）は、光合波部４０により合波されて出力されるパルスレーザ光の波形を示す。

図５および図６それぞれでは、各図（ａ）に示されるように、光源部１０から出力される時点において、パルスレーザ光λ_１のパルス幅よりパルスレーザ光λ_２のパルス幅を狭く、また、パルスレーザ光λ_１のパルス高よりパルスレーザ光λ_２のパルス高を高くした。そして、光源部１０から出力される際のパルスレーザ光λ_１，λ_２の相互のパルス間隔、光ファイバ５２の長さ又は空間光路長可変部５３の位置を適切に調整することにより、光合波部４０により合波されて加工対象物２に照射されるパルスレーザ光の各パルスを、前部でパワーが小さく後部でパワーが大きい形状（図５（ｂ））としたり、或いは、前部でパワーが大きく後部でパワーが小さい形状（図６（ｂ））としたりすることができた。

また、図７（ａ）に示されるように、光源部１０から出力される時点において、パルスレーザ光λ_１のパルス幅よりパルスレーザ光λ_２のパルス幅を狭く、また、パルスレーザ光λ_１のパルス高よりパルスレーザ光λ_２のパルス高を低くした。そして、光源部１０から出力される際のパルスレーザ光λ_１，λ_２の相互のパルス間隔、光ファイバ５２の長さ又は空間光路長可変部５３の位置を適切に調整することにより、光合波部４０により合波されて加工対象物２に照射されるパルスレーザ光の各パルスを、前部および後部でパワーが小さく中央部でパワーが大きい形状（図７（ｂ））とすることができた。

これら図５〜図７に示されるように、第１光源１１および第２光源１２それぞれの発振パワー、発振時間、相互間の発振間隔、光ファイバ５２の長さを変えることにより、レーザ光源１から出力されるパルスレーザ光の各パルスの形状を自由に変更することができる。

なお、光増幅部２０における増幅率は、希土類元素添加光ファイバ２１１，２２１それぞれの反転分布に依存する。反転分布を１に近い状態に保てば最大５０ｄＢの増幅となるが、反転分布が低ければ増幅率も低くなる。この原理を利用することで、第１光源１１および第２光源１２それぞれの発振間隔を不等にすると、それぞれのパルスの増幅率を変えることができる。

これまで、２波長λ_１，λ_２のパルスレーザ光について説明してきたが、３波長以上の場合についても本発明を適用することができる。例えは４波長の場合には以下のようになる。

光ファイバ５２の伝送ロスの典型値は０.６ｄＢ/ｋｍ（＠波長１.０６ｎｍ〜１.１０μｍ）であり、遅延時間１０μｓはファイバ長約２ｋｍで実現が可能であり、遅延時間３０μｓはファイバ長約６ｋｍで実現が可能であるが、後者の場合には３.６ｄＢのロスが発生するので効率はそれなりに落ちる。しかし、４波長それぞれのパルスレーザ光をパルス繰り返し周波数２５ｋＨｚとして、相互に１０μｓずつずらすことにより、全体として、波長を無視すれば繰り返し周波数が１００ｋＨｚとなり、パルス幅が２０ｎｓとなり、パルスエネルギが０.８ｍＪ（８０Ｗ、計算上のピークパワー４０ｋＷ）となって、これ４波を合波した場合でも全エネルギーのロスは１.６ｄＢであり、得られる利便性に比べれば許容である。

別の表現をすれば、この方式を使うことにより、繰り返し周波数１００ｋＨｚでパルスエネルギ０.８ｍＪ（８０Ｗ、計算上のピークパワー３２ｋＷ）のパルスレーザ光を、繰り返し周波数２５ｋＨｚでパルスエネルギ２.２ｍＪ（５５Ｗ、計算上のピークパワー１１０ｋＷ）のパルスレーザ光として使えるようにできる。このようにしてピークパワーおよび パルスエネルギが高いレーザを作ることができる。

非線形が発生する領域で使用すれば光ファイバ５２を使わなくても効率的に励起光源２１３，２２３の励起光パワーを使うことはできない。また、光源部１０において２波長のパルスレーザ光を出力するよりも、４波長のパルスレーザ光を出力する方が、ピークパワーの高いレーザを作れることがわかる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光源部１０は、複数組のＣＷレーザ光源および変調器を含むものを備えていてもよいし、１つの多波長レーザ光源を備えていてもよいし、また、１つの広帯域レーザ光源からの出力光を複数波長に分割するものであってもよい。また、光増幅部２０は、スラブ導波路を用いた増幅器などに置き換えたものであってもよい。

また、光路長差設定部は、上記実施形態においては、長さの異なる光ファイバ５１、光ファイバ５２および空間光路長可変部５３を含むものであったが、これに限られない。光路長差設定部は、例えば図８または図９に示される構成のものであってもよい。

図８に示される光路長差設定部は、光分波部３０と光合波部４０との間の一方の光路にある光ファイバ５２Ａ（同図（ａ））を、これと長さが異なる他の光ファイバ５２Ｂ（同図（ｂ））に交換することで、光路長差を調整することができる。この交換を容易に行えるように、光ファイバ５２Ａの一端にコネクタ５４Ａが設けられ、また、光ファイバ５２Ｂの一端にコネクタ５４Ｂが設けられている。

図９に示される光路長差設定部は、光分波部３０と光合波部４０との間の一方の光路にある光ファイバ５２の途中に、光ファイバセレクタ５５および光ファイバセレクタ５６、ならびに、これら２つの光ファイバセレクタ５５，５６の間に互いに光路長が異なる複数本（図では４本）の遅延用光ファイバ５７_１〜５７_４ が設けられたものである。２つの光ファイバセレクタ５５，５６それぞれは、ファイバ移動型スイッチであって、当該移動により４本の遅延用光ファイバ５７_１〜５７_４のうちの何れか１本の遅延用光ファイバを光ファイバ５２に光学的に接続することができ、これにより、光路長差を調整することができる。

光路長差の調整は、オフラインおよびオンラインの何れでも可能である。オフライン調整は、例えば、単純に加工対象物２に替えて測定器を置くことで可能であり、この場合には、出力パワーをおさえるか、または、ＮＤフィルタを挿入して、測定器の破壊を防止する。オンライン調整は、例えば、光合波部４０とレンズ６３との間に光分岐器（ハーフミラー）を挿入して、この光分岐器により分岐した光を受光する測定器を設ければよい。また、オンライン調整は、光ファイバ５１，５２それぞれの直前にタップカプラを挿入して、このタップカプラにより分岐した光を受光する測定器を設けてもよい。光分岐器またはタップカプラの分岐比率は１:１０００程度でよい。そして、この結果を制御部にフィードバックすれば、温度ゆらぎ等の影響を制御することができる。

本実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。 本実施形態に係るレーザ光源１に含まれる光増幅部２０の構成図である。 本実施形態に係るレーザ光源１における第１動作例の説明図である。 本実施形態に係るレーザ光源１における第２動作例の説明図である。 本実施形態に係るレーザ光源１における他の動作例の説明図である。 本実施形態に係るレーザ光源１における他の動作例の説明図である。 本実施形態に係るレーザ光源１における他の動作例の説明図である。 本実施形態に係るレーザ光源１に含まれる光路長差設定部の他の構成例を示す図である。 本実施形態に係るレーザ光源１に含まれる光路長差設定部の更に他の構成例を示す図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…加工対象物、１０…光源部、１１…第１光源、１２…第２光源、１３…光合波器、１４…制御部、２０…光増幅部、２１…プリアンプ、２２…パワーアンプ、３０…光分波部、４０…光合波部、５０…光路長差設定部、５１，５２…光ファイバ、５３…空間光路長可変部、６１〜６３…レンズ。

Claims (14)

1. 第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光をそれぞれ第１のパルス周期、第２のパルス周期で出力する光源部と、
   この光源部から出力された第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を共通の光増幅媒体により増幅して出力する光増幅部と、
   この光増幅部から出力された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを互いに分波する光分波部と、
   この光分波部により分波された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを合波して出力する光合波部と、
   前記光分波部と前記光合波部との間における前記第１波長のパルスレーザ光と前記第２波長のパルスレーザ光の光路長差を設定する光路長差設定部と
   を備えることを特徴とするレーザ光源。
2. 前記光源部が、
   第１波長のパルスレーザ光を出力する第１光源と、
   第２波長のパルスレーザ光を出力する第２光源と、
   前記第１光源から出力された第１波長のパルスレーザ光と前記第２光源から出力された第２波長のパルスレーザ光とを合波して出力する光合波器と
   を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
3. 前記光源部がモードロックファイバレーザ光源を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
4. 前記光源部は、前記光増幅部に対する前記第１波長のパルスレーザ光および前記第２波長のパルスレーザ光の入力のタイミングを制御する発振間隔制御機構を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
5. 前記光増幅部が希土類元素添加光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
6. 前記光合波部が、前記第１波長のパルスレーザ光と前記第２波長のパルスレーザ光とを空間伝搬させた後、前記光合波部で合波することを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
7. 前記光増幅部は前記第1波長および前記第２波長で伝搬モード数が１となる光ファイバを有し、前記光合波部により合波されて出力される光の品質Ｍ^２が１.５以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
8. 前記光路長差設定部は、前記第１波長のパルスレーザ光の光路および前記第２波長のパルスレーザ光の光路の双方または一方の少なくとも一部に光路長を調整する光導波路を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
9. 前記光路長差設定部は、前記光路長差の調整量が可変である光路長差可変調整部を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
10. 光源部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を所定の周期で元の状態に戻る周波数で出力し、
    この光源部から出力された第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を光増幅部において共通の光増幅媒体により増幅して出力し、
    この光増幅部から出力された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを光分波部により互いに分波し、
    この光分波部により分波された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光との間の光路長差を光路長差設定部により設定し、
    この光路長差設定部により光路長差が設定された第１波長のパルスレーザ光と第２波長のパルスレーザ光とを光合波部により合波して出力する
    ことを特徴とするレーザ発振方法。
11. 前記光分波部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を互いに異なるタイミングで出力し、
    前記光合波部から第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光を少なくとも一部が互いに重なるタイミングで出力する
    ことを特徴とする請求項１０記載のレーザ発振方法。
12. 前記光源部から出力される第１波長のパルスレーザ光および第２波長のパルスレーザ光それぞれのパルス幅、パワーおよび出力のタイミングの何れか一つ以上を調整して、前記光合波器から出力されるパルスレーザ光のパルス群の形状を所望の形状とすることを特徴とする請求項１０記載のレーザ発振方法。
13. 前記光路長差設定部により前記光路長差の設定を調整して、前記光合波器から出力されるパルスレーザ光のパルス群の形状を変更することを特徴とする請求項１０記載のレーザ発振方法。
14. 請求項１０〜１３の何れか１項に記載のレーザ発振方法により出力されたパルスレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
    
    

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