JP2008010720A - Fiber laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファイバレーザ装置に関する。 The present invention relates to a fiber laser device.
ファイバレーザ光を外部空間に向けて出射するファイバレーザ装置は、側距器やレーザ加工機をはじめとする種々用途への応用が考えられる。この場合、パルス発振させたYAGレーザからの光をファイバアンプに入射させることにより、より高いパルスレーザ光出力が得られる。 A fiber laser device that emits fiber laser light toward an external space can be applied to various uses such as a lateral distance machine and a laser processing machine. In this case, a higher pulse laser beam output can be obtained by making the light from the pulsed YAG laser incident on the fiber amplifier.
このパルス発振レーザ光出力を、光パラメトリック発振器(OPO:Optical Parametric Oscillator)へ入射することにより波長変換ができ、また各種変調器へ入射することにより変調されたパルス発振レーザ光を得ることができる。このようにして、種々の用途に応じたファイバレーザ装置が実現できる。 Wavelength conversion can be performed by making this pulsed laser light output incident on an optical parametric oscillator (OPO), and modulated pulsed laser light can be obtained by making it incident on various modulators. In this way, fiber laser devices corresponding to various applications can be realized.
このようなレーザ装置には、例えば、レーザ光を空間に出射する際、レーザ光の光軸を、所望の方向、または入射方向へ迅速に指向させる技術開示例がある(特許文献1)。
本発明は、小型かつ低消費電力であるファイバレーザ装置を提供する。 The present invention provides a fiber laser device that is small and has low power consumption.
本発明の一態様によれば、希土類元素が添加されたファイバアンプと、パルス発振による信号光を出射するシード光源と、励起光を出射する励起光源と、前記ファイバアンプの一方の端部に接続され、前記シード光源からの信号光と前記励起光との光路を一致させる第1の光学手段と、前記ファイバアンプの他方の端部に接続され、前記信号光と前記励起光との光路を分離する第2の光学手段と、前記第1及び前記第2の光学手段と前記ファイバアンプとを含み、前記励起光を連続波発振させる光共振回路と、を備え、前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振をしている状態においては前記信号光が増幅されず、前記励起光が連続波発振を停止している状態においては前記信号光が前記ファイバアンプにより増幅された振幅変調パルス発振レーザ光が前記第2の光学手段を介して外部空間に出射されることを特徴としたファイバレーザ装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a fiber amplifier to which a rare earth element is added, a seed light source that emits signal light by pulse oscillation, an excitation light source that emits excitation light, and one end of the fiber amplifier are connected A first optical means for matching the optical paths of the signal light from the seed light source and the pumping light and the other end of the fiber amplifier, and separating the optical paths of the signal light and the pumping light. Second optical means, and an optical resonance circuit that includes the first and second optical means and the fiber amplifier, and oscillates the pumping light continuously, and the pumping light is in the fiber amplifier. Amplitude modulation in which the signal light is not amplified in a state where continuous wave oscillation is performed, and the signal light is amplified by the fiber amplifier in a state where the excitation light stops continuous wave oscillation Pulse fiber laser device oscillated laser light is characterized in that it is emitted to the outer space through the second optical means.
本発明により、小型かつ低消費電力であるファイバレーザ装置が提供される。 According to the present invention, a small-sized and low power consumption fiber laser device is provided.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1及び図2は、本発明の具体例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
YAGレーザなどからなるシード光源10からのパルス発振信号光は、ダイクロイックプリズム18により反射され、レンズ20により集束され、ファイバアンプ14の一方の端部へ入射する。ダイクロイックプリズム18を透過した励起光源40からの励起光と、シード光源10からの信号光との光路とを一致させた後、ファイバアンプ14の一方の端部へ入射させる。ファイバのコア近傍に添加された希土類元素が励起光により活性化された状態で、シード光源10から、例えば、2μm波長の信号光がファイバアンプ14へ入射すると、誘導放出により信号光が増幅される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are block diagrams of a fiber laser device according to a specific example of the present invention.
The pulse oscillation signal light from the
増幅光及び励起光はファイバアンプ14の他方の端部を出射後、レンズ22により集束され、ダイクロイックプリズム26により光路が分離される。すなわちダイクロイックプリズム26は、増幅光を透過させるとともに、励起光を反射させる。ダイクロイックプリズム26を透過した出射光Pampは、光パラメトリック発振器30により、例えば、3乃至5μmに波長変換された外部出射光Poutとなり外部空間に出射される。ダイクロイックプリズム26は、第2の励起光源41からの励起光を反射させ、ファイバアンプ14の他方の端部から出射される信号光の光路と一致させる。但し、進行方向は逆となっている。このようにして、励起光源41からの励起光がファイバアンプ14の他方の端部から入射する。
The amplified light and the excitation light are emitted from the other end of the
一般に、シード光源10のYAGレーザは、パルス発振により高いピーク光出力を発生させている。本具体例において、例えば、15kHzの繰り返し周波数でパルス発振させる。従って、振幅変調をしない場合には、波長変換されたパルス発振レーザ光出力が外部に出射される。
In general, the YAG laser of the
さらに、本具体例においては、光共振回路としてミラー16、24及びその駆動手段12を備えている。図1に表したように、連続波(CW)発振用ミラー16及び24の光軸を一致させることにより、励起光をCW発振(ON状態)させる。また、図2に表したように、ピエゾ素子などの駆動手段12によりミラーの光軸を傾けることにより、CW発振を停止(OFF状態)させる。
Furthermore, in this specific example,
一般にファイバアンプ14は高利得であるために、ファイバアンプ14の両ファイバ端面における反射率が数%のフレネル反射でもCW発振を生じる。CW発振を生じると、励起エネルギがCW発振に費やされ信号光のパルス増幅が停止する。これを防止するために、ファイバアンプ14の両端面は、例えば約20°の角度の斜めクリーブとすることでCW発振を防止している。
In general, since the
本具体例においては、ファイバアンプ14においてCW発振が生じやすい点を利用してパルス増幅を制御する。すなわち、光共振回路は、ダイクロイックプリズム18及び26、ファイバアンプ14、CW発振用ミラー16及び24、その駆動手段12を含む。そして、CW発振用ミラー16を、例えば、圧電効果を利用したピエゾ素子などの駆動手段12により図2に表したように変位させる。ミラー16の光軸が傾けられてCW発振条件を満たさないOFF状態では、励起エネルギはシード光源10からの信号光をパルス増幅することができる。つまり、図2に表した状態においては、光パラメトリック発振器30により波長変換されたパルス発振レーザ光出力Poutが外部に出射される。なお、OFF状態をつくりだすためには、CW発振用ミラー16の光軸を傾ける代わりにCW発振用ミラー24の光軸を傾けても良い。
In this specific example, pulse amplification is controlled by utilizing the point where CW oscillation is likely to occur in the
一方、図1に表したように、ミラー16、24の光軸が一致したON状態では、励起光は、CW発振用ミラー24と、CW発振用ミラー16との間での共振によりCW発振を生じる。例えば、ミラー24の反射率をほぼ100パーセントとし、ミラー16の反射率を80パーセント程度とすると、CW発振用ミラー16からP1の大きさの外部光出力Ppが出射する。この時には、波長変換されたレーザ光出力Poutは出力されない。
On the other hand, as shown in FIG. 1, in the ON state in which the optical axes of the
図3は、CW発振のON−OFF状態、励起光外部出力Rp,増幅光出力Pampの時間変化を説明するグラフ図である。(a)に表すON状態の時間において、(b)のようにP1の励起光外部出力Ppが出射する。一方、OFF状態の時間において、(b)のようにCW発振が停止する。このCW発振が停止している時間のみ、(c)のようにシード光源10からのパルス発振レーザ光が増幅されダイクロイックプリズム26を透過し大きさP2の増幅光出力Pampが出射する。
FIG. 3 is a graph for explaining temporal changes in the ON / OFF state of CW oscillation, the pumping light external output Rp, and the amplified light output Pamp. During the ON state time shown in (a), the excitation light external output Pp of P1 is emitted as shown in (b). On the other hand, the CW oscillation is stopped as shown in FIG. Only during the time when the CW oscillation is stopped, the pulsed laser light from the
CW発振用ミラー16のOFF状態の周期をTh(sec)とすると、繰り返し周波数fh(Hz)=1/Thとなる。繰り返し周波数fhは、最大2kHzと、シード光源10のパルス発振繰り返しと比較して低くする。
When the period of the OFF state of the CW oscillation mirror 16 and T h (sec), the repetition frequency f h (Hz) = 1 / T h. The repetition frequency f h is 2 kHz at maximum, which is lower than the pulse oscillation repetition of the
このあと、増幅光は光パラメトリック発振器30により3乃至5μmのレーザ光に波長変換され、外部空間へ波長変換光出力Poutが出射される。なお、ON状態ではCW発振によりパルス増幅はなされないので増幅光出力Pampは小さく、光パラメトリック発振器30の閾値光入力Pth以下となり、波長変換もなされない。
Thereafter, the amplified light is wavelength-converted to a laser beam of 3 to 5 μm by the optical
図4は、波長変換光出力Poutを時間軸t(sec)で表したグラフ図である。すなわち、図3(c)の時間軸を部分的に拡大して表している。例えば、15kHzの繰り返し周波数fsでパルス発振しているシード光源10からの信号光が、ファイバアンプ14でパルス増幅され、さらに繰り返し周波数fhの振幅変調を受けることを表わしている。このあと、光パラメトリック発振器30により3乃至5μmのレーザ光に波長変換され、外部空間へ大きさP3である波長変換光出力Poutが出射される。この出射光は図4に例示されるように、振幅変調されたパルス発振レーザ光であり、その波長は3乃至5μmである。振幅変調の繰り返し周波数fhや変調幅は光共振回路の駆動手段により制御できる。
FIG. 4 is a graph showing the wavelength-converted light output Pout on the time axis t (sec). That is, the time axis of FIG. 3C is partially enlarged. For example, signal light from the
次に、図1及び図2に戻って、本具体例の構成要素に関して補足説明をする。
ファイバアンプ14は、ファイバのコアの近傍に、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)などの希土類元素を添加し、励起光と信号光を注入、伝搬させて光増幅を行う。本具体例においては、例えば、Tmを添加することによりシード光源の2μmの波長の信号光を誘導放出により増幅している。
Next, returning to FIG. 1 and FIG. 2, supplementary explanation will be given regarding the components of this example.
The
ダイクロイックプリズム18及び26は、干渉膜を多層構造にすることにより、特定の波長光を反射または透過させるための光学手段である。例えば、図1及び図2において、ダイクロイックプリズム18はシード光源10からの2μm信号光を反射し0.8μm励起光を透過させる。一方、ダイクロイックプリズム26は2μm信号光を透過させ、0.8μm励起光を反射する。
The
励起光源40及び41には、例えば、ピーク波長が0.8μm帯のAlGaAsからなる半導体レーザ素子を用いることができる。この半導体レーザ素子のCW光出力は、100mW以上とできるので励起用に適している。図1及び図2において、励起光源40からの励起光は、例えば、ミラー42により折り曲げられダイクロイックプリズム18を透過してファイバアンプ14へ入射する。同様に励起光源41からの励起光は、例えば、ミラー43により折り曲げられダイクロイックプリズム26によりさらに反射されてファイバアンプ14へ入射する。また、ミラー42及び43は、CW発振用ミラー16と24との間の発振光を透過させる。このため、ミラー42及び43には、例えば、ハーフミラーを用いることができる。なお、励起光源は1個でも良いが、2個とすると励起光強度を大きくできるのでより好ましい。
As the
光パラメトリック発振器30は、例えば、BaB2O4,LiB3O5,BiB3O6,LiNbO3,KTiOPO4などのバルク非線形結晶からなりその非線形光学効果を利用して波長変換を行う。すなわち、2個のミラーで形成される光共振器内に配置された非線形結晶において、1個の高いエネルギ(高周波数)のフォトンが、2個の低エネルギのフォトンに分割されることにより波長変換がなされる。
The optical
図5は、比較例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
本比較例においては、パルス増幅光の変調を、ファイバアンプ14の後段においてEO(Electro-Optical)変調器や可動式チョッパなどの変調器32を用いて実施する。しかし、これらいずれの場合も、装置が大型となり好ましくない。また、EO変調器を制御するには高圧電源を必要とするので消費電力が増大する。可動式チョッパは大きなブレードを用いた機械的変調方法であり、繰り返し周波数の制御などにおいて制御精度が劣る。なお、本図において励起光源を省略している。
FIG. 5 is a block diagram of a fiber laser device according to a comparative example.
In this comparative example, the pulse amplified light is modulated using a
これに対して、本具体例はEO変調器のための高圧電源や可動式チョッパのような機械的駆動装置を必要としない。この結果、消費電力が低減でき、またファイバレーザ装置をより小型化できる。 On the other hand, this example does not require a high-voltage power source for the EO modulator or a mechanical drive device such as a movable chopper. As a result, power consumption can be reduced and the fiber laser device can be further downsized.
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されない。例えば、ファイバレーザ装置を構成するファイバアンプ、シード光源、励起光源、CW発振用ミラー、駆動手段、ダイクロイックプリズム、ミラー、光パラメトリック発振器,レンズなどに関して、また変調方法などに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, those skilled in the art make various design changes with respect to fiber amplifiers, seed light sources, excitation light sources, CW oscillation mirrors, drive means, dichroic prisms, mirrors, optical parametric oscillators, lenses, etc. that constitute fiber laser devices, and modulation methods What has been done is included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
10・・・シード光源、12・・・駆動手段(ピエゾ素子)、14・・・ファイバアンプ、16・・・CW発振用ミラー、18・・・ダイクロイックプリズム、24・・・CW発振用ミラー、26・・・ダイクロイックプリズム、30・・・光パラメトリック発振器,40、41・・・励起光源
DESCRIPTION OF
Claims (4)
パルス発振による信号光を出射するシード光源と、
励起光を出射する励起光源と、
前記ファイバアンプの一方の端部に接続され、前記シード光源からの信号光と前記励起光との光路を一致させる第1の光学手段と、
前記ファイバアンプの他方の端部に接続され、前記信号光と前記励起光との光路を分離する第2の光学手段と、
前記第1及び前記第2の光学手段と前記ファイバアンプとを含み、前記励起光を連続波発振させる光共振回路と、
を備え、
前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振をしている状態においては前記信号光が増幅されず、前記励起光が連続波発振を停止している状態においては前記信号光が前記ファイバアンプにより増幅された振幅変調パルス発振レーザ光が前記第2の光学手段を介して外部空間に出射されることを特徴としたファイバレーザ装置。 A fiber amplifier doped with rare earth elements;
A seed light source that emits signal light by pulse oscillation;
An excitation light source that emits excitation light;
A first optical means connected to one end of the fiber amplifier, for matching the optical paths of the signal light from the seed light source and the excitation light;
A second optical means connected to the other end of the fiber amplifier and separating an optical path between the signal light and the excitation light;
An optical resonant circuit that includes the first and second optical means and the fiber amplifier, and oscillates the excitation light continuously,
With
The signal light is not amplified when the pumping light is continuously wave oscillated in the fiber amplifier, and the signal light is amplified by the fiber amplifier when the pumping light is stopped from continuous wave oscillation. A fiber laser device characterized in that the amplitude-modulated pulsed laser beam is emitted to the external space through the second optical means.
前記第1及び前記第2のミラーの光軸が一致した時には、前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振を継続し、
前記第1及び前記第2のミラーの光軸が不一致の時には、前記ファイバアンプにおいて連続波発振が停止することを特徴とする請求項1に記載のファイバレーザ装置。 The optical resonant circuit includes: a first mirror; a second mirror having a lower reflectance than the first mirror; and a driving unit that displaces at least one of the optical axes of the first and second mirrors. Including
When the optical axes of the first and second mirrors coincide, the excitation light continues continuous wave oscillation in the fiber amplifier,
2. The fiber laser device according to claim 1, wherein when the optical axes of the first and second mirrors do not coincide with each other, continuous wave oscillation is stopped in the fiber amplifier.
前記第1及び前記第2の光学手段は、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーであり、
前記シード光源は、YAGレーザからなり、
前記励起光源は、ピーク波長が0.8μm帯の半導体レーザ素子であり、
前記希土類元素は、ツリウムであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。 An optical parametric oscillator that performs wavelength conversion of the amplitude-modulated pulsed laser light amplified from the signal light;
The first and second optical means are dichroic prisms or dichroic mirrors,
The seed light source comprises a YAG laser,
The excitation light source is a semiconductor laser element having a peak wavelength of 0.8 μm band,
The fiber laser device according to claim 1, wherein the rare earth element is thulium.
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