JP2007335522A - ファイバレーザ装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的な加工をすることができるファイバレーザ装置およびレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】ファイバレーザ装置１では、励起光源２２から出力された励起光は、光合波器３２を経て増幅用光ファイバ４２に供給され、この増幅用光ファイバ４２のコアおよび内側クラッドにより導波され、この増幅用光ファイバ４２に添加されているＹｂ元素を励起する。種光源１０から出力された種光は、増幅用光ファイバ４１、４２において光増幅され、出射光学系７０から外部へ出力される。励起光源２１，２２から出力された励起光のうち増幅用光ファイバ４１，４２において消費されず残存した励起光は、増幅用光ファイバ４２およびガイド用光ファイバ５０それぞれのコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波され、出射光学系７０から外部へ出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅用光ファイバを備えるファイバレーザ装置、および、このような装置を用いたレーザ加工方法に関するものである。

ファイバレーザ装置は、増幅用光ファイバに種光および励起光を導波させて、その種光を増幅用光ファイバにおいて光増幅し、その光増幅した種光を出力する。このようなファイバレーザ装置は、高品質で高パワーのレーザ光を出力することができることから、加工用途等に好適に用いられ得る。
「高出力レーザによる加工技術とインプロセスモニタリング・加工状態の評価」、技術情報協会、２００５年５月９日発行

しかしながら、従来のファイバレーザ装置を用いて加工する場合であっても、加工対象物によっては、効果的な加工を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、効果的な加工をすることができるファイバレーザ装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係るファイバレーザ装置は、(1) 種光を出力する種光源と、(2) 種光を増幅するための励起光を出力する励起光源と、(3)種光と励起光とを合波して出力する光合波器と、(4) 光合波器から出力した出力光を入力し、増幅されたシングルモードの種光（以下「増幅光」という。）と吸収されずに残存したマルチモードの励起光（以下「残存励起光」という。）とを出力する増幅用光ファイバと、(5) コア、このコアより屈折率が低い内側クラッドおよびこの内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有し、増幅用光ファイバから出力した出力光を入力し、コアからシングルモードの光を出力し、内側クラッドからマルチモードの光を出力し、これら出力した増幅光および残存励起光を加工対象へ出力するガイド用光ファイバと、を備えることを特徴とする。

このファイバレーザ光源では、種光源から出力された種光および励起光源から出力された励起光は、光合波器により合波されて増幅用光ファイバの入射端に入力される。増幅用光ファイバでは、励起光はマルチモードとして導波され、種光はシングルモードとして導波されるとともに光増幅され、その増幅された種光（増幅光）が出射端から出力されるとともに、吸収されずに残存した励起光（残存励起光）も出射端から出力される。増幅用光ファイバの出射端から出力された増幅光および残留励起光は、ガイド用光ファイバの入射端に入力される。ガイド用光ファイバでは、増幅光はコアによりシングルモードとして導波され、残存励起光はコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波されて、これら導波された増幅光および残存励起光は出射端から出力される。

本発明に係るファイバレーザ装置は、励起光とは異なる波長のマルチモードの加熱用の光（加熱光）を出力する加熱用光源を備え、加熱用光源から出力した加熱光を、光合波器を経由してガイド用光ファイバの出射端から出力するのが好適である。また、この加熱光は連続光であるのが好適である。この場合、加熱用光源から出力される加熱光は、励起光とは異なる波長のマルチモードのものであって、光合波器を経由してガイド用光ファイバの出射端から出力される。

本発明に係るファイバレーザ装置では、増幅用光ファイバは、コア、このコアより屈折率が低い内側クラッドおよびこの内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有し、コアおよび内側クラッドにイットリビウムが添加され、励起光の波長での非飽和吸収が３ｄＢ以上１３ｄＢ以下となる所定の濃度条長積以下であるのが好適である。

本発明に係るレーザ加工方法は、種光を入射端に入力してシングルモードとして導波し、励起光を入射端に入力してマルチモードとして導波し、種光を光増幅して、その増幅した種光（増幅光）を出射端から出力するとともに、吸収されずに残存した励起光（残存励起光）をも出射端から出力する増幅用光ファイバを備えるファイバレーザ装置を用い、ファイバレーザ装置から出力した増幅光および残存励起光を同時に加工対象物に照射して加工対象物を加工することを特徴とする。また、本発明に係るレーザ加工方法は、励起光とは異なる波長のマルチモードの加熱用の光（加熱光）を増幅用光ファイバの出射端からマルチモードとして出力するのが好適である。このとき、加熱光の波長が４００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であるのが好適であり、加工対象物がアルミニウムからなるのが好適である。

本発明によれば、効果的な加工をすることができる。

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。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係るファイバレーザ装置およびレーザ加工方法の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るファイバレーザ装置１の構成図である。この図に示されるファイバレーザ装置１は、ＭＯＰＡ（Main Oscillation Power Amplifier）構成のものであって、種光源１０、励起光源２１，２２、光合波器３１，３２、増幅用光ファイバ４１，４２、ガイド用光ファイバ５０、光アイソレータ６１〜６３および出射光学系７０を備える。

種光源１０から出射光学系７０へ到る光路に沿って順に、光アイソレータ６１、光合波器３１、増幅用光ファイバ４１、光アイソレータ６２、光合波器３２、増幅用光ファイバ４２、ガイド用光ファイバ５０および光アイソレータ６３が設けられている。また、光合波器３１に励起光源２１が接続され、光合波器３２に励起光源２２が接続されている。

増幅用光ファイバ４１，４２それぞれは、希土類元素（好適にはＹｂ元素）を添加された光ファイバであり、その希土類元素を励起し得る波長の励起光が供給されることで、所定波長の被増幅光を光増幅することができる。前段の増幅用光ファイバ４１は、Ｙｂ元素を添加されたコアを有するシングルモード光ファイバである。この増幅用光ファイバ４１は、被増幅光および励起光をコアにより導波させて、被増幅光を光増幅する。

後段の増幅用光ファイバ４２は、コア，このコアより屈折率が低い内側クラッド，および，この内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有するダブルクラッド構造のものであり、コアおよび内側クラッドにＹｂ元素を添加されている。この増幅用光ファイバ４２は、被増幅光をコアによりシングルモードとして導波させ、励起光をコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波させて、被増幅光を光増幅する。この増幅用光ファイバ４２は、励起光の波長での非飽和吸収が３ｄＢ以上１３ｄＢ以下となる所定の濃度条長積以下であるのが好ましい。

ガイド用光ファイバ５０は、コア，このコアより屈折率が低い内側クラッド，および，この内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有するダブルクラッド構造のものであり、Ｙｂ元素等の希土類元素を添加されていない。ガイド用光ファイバ５０は、増幅用光ファイバ４２と融着接続されていて、増幅用光ファイバ４２から出力された増幅光（被増幅光が光増幅されたもの）を入射端に入力してコアによりシングルモードとして導波させ、増幅用光ファイバ４２から出力された残存励起光を入射端に入力してコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波させ、これら導波させた増幅光および残存励起光を出射端から出力する。ガイド用光ファイバ５０の長さは例えば１ｍである。

種光源１０は、増幅用光ファイバ４１，４２において光増幅されるべき波長１０６４ｎｍの被増幅光（種光）を出力する。励起光源２１は、増幅用光ファイバ４１に供給されるべき波長９８０ｎｍの励起光を出力する。励起光源２２は、増幅用光ファイバ４２に供給されるべき波長９８０ｎｍの励起光を出力する。これらの種光源１０および励起光源２１，２２それぞれは、レーザダイオードであるのが好適である。

光合波器３１は、光アイソレータ６１から到達した種光を入力するとともに、励起光源２１から到達した励起光をも入力して、これら種光と励起光とを合波して増幅用光ファイバ４１へ出力する。光合波器３２は、光アイソレータ６２から到達した種光を入力するとともに、励起光源２２から到達した励起光をも入力して、これら種光と励起光とを合波して増幅用光ファイバ４２へ出力する。

光アイソレータ６１〜６３それぞれは、種光源１０から出射光学系７０へ向かう順方向に光を低損失で通過させるが、逆方向には光を通過させない。出射光学系７０は、光アイソレータ６３から出力された光を加工対象物へ導くものである。

このファイバレーザ装置１では、励起光源２１から出力された励起光は、光合波器３１を経て増幅用光ファイバ４１に供給され、この増幅用光ファイバ４１のコアにより導波され、この増幅用光ファイバ４１に添加されているＹｂ元素を励起する。励起光源２２から出力された励起光は、光合波器３２を経て増幅用光ファイバ４２に供給され、この増幅用光ファイバ４２のコアおよび内側クラッドにより導波され、この増幅用光ファイバ４２に添加されているＹｂ元素を励起する。

種光源１０から出力された種光は、光アイソレータ６１および光合波器３１を経て、増幅用光ファイバ４１に入力され、この増幅用光ファイバ４１のコアにより導波されて光増幅される。増幅用光ファイバ４１において光増幅されて出力された光は、光アイソレータ６２および光合波器３２を経て、増幅用光ファイバ４２に入力され、この増幅用光ファイバ４２のコアにより導波されて光増幅される。増幅用光ファイバ４２において光増幅されて出力された光（増幅光）は、ガイド用光ファイバ５０のコアにより導波され、光アイソレータ６３を経て出射光学系７０から外部へ出力される。

また、励起光源２１，２２から出力された励起光のうち増幅用光ファイバ４１，４２において消費されず残存した励起光（残存励起光）は、増幅用光ファイバ４２からマルチモードとして出力され、ガイド用光ファイバ５０のコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波され、光アイソレータ６３を経て出射光学系７０から外部へ出力される。

このように、ガイド用光ファイバ５０からは、増幅光（波長１０６４ｎｍ）がシングルモードとして出力され、残存励起光（波長９８０ｎｍ）がマルチモードとして出力される。そして、これら増幅光および残存励起光は、光アイソレータ６３を経て出射光学系７０から外部へ出力され、加工対象物に照射される。

より具体的な例として、種光源１０から出力される種光は、波長１０６４ｎｍでパルス幅１００ｎ秒のパルス光である。励起光源２１，２２それぞれから出力される励起光は、波長９８０ｎｍでパワー５Ｗの連続光である。増幅用光ファイバ４２は、コア半径が５μｍであり、クラッド半径が６２.５μｍであり、Ｙｂ添加濃度が２０００wt.ppmであり、非飽和吸収が３ｄＢ以上１３ｄＢ以下ｄＢ以下である。出射光学系７０は、焦点距離５０ｍｍのコリメータレンズにより光束径を７ｃｍに拡大して光を出力する。

この場合、増幅用光ファイバ４２に供給された励起光のうち、数十％の励起光はＹｂ元素により吸収されるものの、残りの数％の励起光（残留励起光、波長９８０ｎｍ）は、増幅用光ファイバ４２およびガイド用光ファイバ５０によりマルチモードとして導波されて、ガイド用光ファイバ５０からマルチモードとして出力される。また、増幅された種光（増幅光、波長１０６４ｎｍ、パルス幅１００ｎ秒）は、ガイド用光ファイバ５０からシングルモードとして出力される。

ガイド用光ファイバ５０からシングルモードとして出力される増幅光は、コヒーレンシが高いので、出射光学系７０により集光されることにより、加工対象物上の比較的狭い領域に照射される。一方、ガイド用光ファイバ５０からマルチモードとして出力される増幅光は、出射光学系７０を経て、加工対象物上の比較的広い領域に照射される。

図２は、加工対象物としての各種金属の吸収スペクトルを示す図である。この図に示されるように、本実施形態に係るファイバレーザ装置１から出力される増幅光の波長１０６４ｎｍにおいては、一般に金属の吸収は小さく、例えば銅（Ｃｕ）の場合には吸収率は２％程度しかない。したがって、波長１０６４ｎｍの増幅光のみを金属に照射したのでは、その金属の加工の効率は悪い、しかし、本実施形態に係るファイバレーザ光源１は、波長１０６４ｎｍの増幅光を出力するだけでなく、波長９８０ｎｍの残留励起光も出力することができ、残留励起光の照射により加工対象物を加熱し、増幅光の集光照射により加工対象物を加工するで、効果的な加工をすることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係るファイバレーザ装置およびレーザ加工方法の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係るファイバレーザ装置２の構成図である。この図に示されるファイバレーザ装置２は、ＭＯＰＡ構成のものであって、種光源１０、励起光源２１，２２、光合波器３１，３２、増幅用光ファイバ４１，４２、ガイド用光ファイバ５０、光アイソレータ６１〜６３、出射光学系７０および加熱用光源８０を備える。

図１に示された第１実施形態に係るファイバレーザ装置１の構成と比較すると、この図に示される第２実施形態に係るファイバレーザ装置２は、加熱用光源８０を更に備える点、および、加熱用光源８０から出力される加熱光をも光合波器３２が合波する点、で相違する。

加熱用光源８０は、励起光とは異なる波長のマルチモードの加熱用の光（加熱光）をマルチモードとして出力するものである。この加熱光は、連続光であるのが好適であり、また、加工対象物の吸収が大きい波長であるのが好適であり、例えば、加工対象物がアルミニウム（Ａｌ）である場合には４００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の波長であるのが好適である。また、この加熱用光源８０は、レーザダイオードであるのが好適である。

光合波器３２は、光合波器３２は、光アイソレータ６２から到達した種光、励起光源２２から到達した励起光、および、加熱用光源８０から到達した加熱光を入力して、これら種光，励起光および加熱光を合波して増幅用光ファイバ４２へ出力する。増幅用光ファイバ４２に入力された加熱光は、増幅用光ファイバ４２およびガイド用光ファイバ５０それぞれのコアおよび内側クラッドによりマルチモードとして導波されて、ガイド用光ファイバ５０の出射端から出力され、光アイソレータ６３および出射光学系７０を経て加工対象物へ照射される。

より具体的な例として、種光源１０から出力される種光は、波長１０６４ｎｍでパルス幅１００ｎ秒のパルス光である。励起光源２１，２２それぞれから出力される励起光は、波長９８０ｎｍでパワー５Ｗの連続光である。加熱用光源８０から出力される加熱光は、波長８０８ｎｍのパワー５Ｗの連続光である。増幅用光ファイバ４２は、コア半径が５μｍであり、クラッド半径が６２.５μｍであり、Ｙｂ添加濃度が２０００wt.ppmであり、非飽和吸収が３ｄＢ以上１３ｄＢ以下ｄＢ以下である。出射光学系７０は、焦点距離５０ｍｍのコリメータレンズにより光束径を７ｃｍに拡大して光を出力する。

この場合、例えば加工対象物が厚さ５００μｍのアルミニウム板である場合にも、本実施形態に係るファイバレーザ光源２は、波長１０６４ｎｍの増幅光を出力するだけでなく、波長９８０ｎｍの残留励起光も出力し、さらに、波長８０８０ｎｍの加熱光をも出力することができ、残留励起光だけでなく加熱光の照射により加工対象物を加熱し、増幅光の集光照射により加工対象物を加工するで、効果的な加工をすることが可能となる。

第１実施形態に係るファイバレーザ装置１の構成図である。 加工対象物としての各種金属の吸収スペクトルを示す図である。 第２実施形態に係るファイバレーザ装置２の構成図である。

符号の説明

１，２…ファイバレーザ装置、１０…種光源、２１，２２…励起光源、３１，３２…光合波器、４１，４２…増幅用光ファイバ、５０…ガイド用光ファイバ、６１〜６３…光アイソレータ、７０…出射光学系、８０…加熱用光源。

Claims (8)

1. 種光を出力する種光源と、
   前記種光を増幅するための励起光を出力する励起光源と、
   前記種光と前記励起光とを合波して出力する光合波器と、
   前記光合波器から出力した出力光を入力し、増幅されたシングルモードの種光（以下「増幅光」という。）と吸収されずに残存したマルチモードの励起光（以下「残存励起光」という。）とを出力する増幅用光ファイバと、
   コア、このコアより屈折率が低い内側クラッドおよびこの内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有し、前記増幅用光ファイバから出力した出力光を入力し、前記コアからシングルモードの光を出力し、前記内側クラッドからマルチモードの光を出力し、これら出力した前記増幅光および前記残存励起光を加工対象へ出力するガイド用光ファイバと
   を備えることを特徴とするファイバレーザ装置。
2. 前記励起光とは異なる波長のマルチモードの加熱用の光（以下「加熱光」という。）を出力する加熱用光源を備え、
   前記加熱用光源から出力した前記加熱光を、前記光合波器を経由して前記ガイド用光ファイバの前記出射端から出力する
   ことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
3. 前記加熱光が連続光であることを特徴とする請求項２記載のファイバレーザ装置。
4. 前記増幅用光ファイバは、コア、このコアより屈折率が低い内側クラッドおよびこの内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有し、前記コアおよび前記内側クラッドにイットリビウムが添加され、前記励起光の波長での非飽和吸収が３ｄＢ以上１３ｄＢ以下となる所定の濃度条長積以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のファイバレーザ装置。
5. 種光を入射端に入力してシングルモードとして導波し、励起光を前記入射端に入力してマルチモードとして導波し、前記種光を光増幅し、その増幅した種光（以下「増幅光」という。）を出射端から出力するとともに、吸収されずに残存した励起光（以下「残存励起光」という。）を前記出射端から出力する増幅用光ファイバを備えるファイバレーザ装置を用い、
   前記ファイバレーザ装置から出力した前記増幅光および前記残存励起光を同時に加工対象物に照射して、前記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。
6. 前記励起光とは異なる波長のマルチモードの加熱用の光（以下「加熱光」という。）を前記増幅用光ファイバの前記出射端からマルチモードとして出力することを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。
7. 前記加熱光の波長が４００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工方法。
8. 前記加工対象物がアルミニウムからなることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。

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