JP2010028053A - Fiber laser device, laser beam machine, and laser beam machining method - Google Patents

Fiber laser device, laser beam machine, and laser beam machining method Download PDF

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Inventor
Hiroshi Yuasa
広士 湯浅
Original Assignee
Toshiba Corp
株式会社東芝
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber laser device, a laser beam machine, and a laser beam machining method which achieves high efficiency and high power with a simple configuration. <P>SOLUTION: The provided fiber laser device is provided with: an exciting combiner having a first multimode optical fiber propagating excitation light, a first signal light propagation fiber capable of propagating laser light, and a synthetic melted portion obtained by tying together a part of the first multimode optical fiber and a part of the first signal light propagation fiber, melting the parts of the fibers, and extending the parts of the fibers; and a returning combiner having an active fiber that is optically coupled to the synthetic melted portion and can oscillate or amplify the laser light, a second multimode optical fiber that has a light returning portion for returning a part of the residue of the excitation light to the active fiber, a second signal light propagation fiber capable of propagating the oscillated or amplified laser light, and a branch melted portion that is obtained by tying together a part of the second multimode optical fiber and a part of the second signal light propagation fiber, melting the parts of the fibers, and extending the parts of the fibers and can be optically coupled to the active fiber. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ファイバレーザ装置、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。 The present invention is a fiber laser device, a laser machining apparatus and a laser machining method.

レーザ加工などに用いるファイバレーザ装置には、励起光を吸収してレーザ光を発振または増幅できるアクティブファイバを用いることができる。 A fiber laser device for use in such laser processing, it is possible to use an active fiber capable of oscillating or amplify the laser light by absorbing the excitation light. 通常、レーザ加工などに用いるレーザ光はシングルモード光ファイバ内を伝搬させ、光出力が高い励起光はファイバ径が大きい多モード光ファイバ内を伝搬させる。 Usually, the laser beam used for such laser machining is propagated in single mode optical fiber, the light output is higher pumping light propagates through the multimode optical fiber is fiber diameter larger.

この励起光は、シングルモード光ファイバであるアクティブファイバのコア及び内部クラッド内に入射し内部を伝搬しつつ、アクティブファイバのコアに添加された希土類元素を励起する。 The excitation light, while propagating inside enters the core and the inner cladding of the active fiber is a single mode optical fiber to excite the added rare earth element in the core of the active fiber. 希土類元素による誘導放出により、アクティブファイバはレーザ光を発振または増幅可能となる。 By stimulated emission by rare earth elements, the active fiber is allowed oscillation or amplifying the laser beam.

この場合、励起光源の数を増やし励起光出力を高めるとレーザ出力を高めることができるが、励起光源と光結合する多モード光ファイバの数が増え、ファイバレーザ装置の構造が複雑となる。 In this case, when increasing the pumping light output by increasing the number of excitation light sources can increase the laser output, increases the number of multimode optical fiber to the excitation light source and the optical coupling, the structure of the fiber laser device becomes complicated.

高い励起光パワー密度を有し、レーザ光の高出力化が可能となる光ファイバ型励起コンバイナ、光ファイバレーザに関する技術開示例がある(技術文献1)。 It has a high pump power density, optical fiber type excitation combiner higher output of the laser light is possible, discloses a technique relating to an optical fiber laser (technical document 1). この技術開示例では、多モード光ファイバの本数が3〜5本であり、各光ファイバの組み合わせが最密構造となるように、クラッド外径を設定した光ファイバ型励起コンバイナが提供されている。 In this technique, the number of multi-mode optical fiber is three to five, the combination of each optical fiber is such that the close-packed structure, an optical fiber type excitation combiner set the cladding diameter is provided .
しかしながら、この技術開示例を用いても、励起光を有効に利用してファイバレーザ装置の効率及び出力を高めるのに充分ではない。 However, even with this example technique, it is not sufficient to increase the efficiency and output of the fiber laser device by effectively utilizing the excitation light.
特開2007−163650号公報 JP 2007-163650 JP

簡素な構造を有し、高効率且つ高出力が可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。 Has a simple structure, high efficiency and high output can fiber laser device provides a laser processing apparatus and a laser processing method.

本発明の一態様によれば、励起光を伝搬可能な第1の多モード光ファイバと、レーザ光を伝搬可能な第1の信号光伝搬ファイバと、前記第1の多モード光ファイバの一部と前記第1の信号光伝搬ファイバの一部とが束ねられて溶融され延伸された合成溶融部と、を有する励起用コンバイナと、前記合成溶融部と光結合可能であり、コアに添加された希土類元素が前記励起光の一部を吸収し前記レーザ光を発振または増幅可能なアクティブファイバと、前記励起光の残余の一部を前記アクティブファイバへ戻す光戻し部を有する第2の多モード光ファイバと、発振または増幅された前記レーザ光を伝搬可能な第2の信号光伝搬ファイバと、前記第2の多モード光ファイバの一部と前記第2の信号光伝搬ファイバの一部とが束ねられて溶融され延 According to one aspect of the present invention, a first multimode optical fiber capable of propagating an excitation light, the first signal light transmission fiber that can propagate the laser beam, a part of the first multimode optical fiber and a portion of said first signal light transmission fiber and the excitation combiner having a stretched synthetic fused portion is melted by bundling a said synthetic fused portion and the light can be coupled, have been added to the core and second multimode light having an active fiber rare earth element can oscillate or amplify the laser beam absorbs a part of the excitation light, the light returning portion that returns a part of the residual of the excitation light to the active fiber and the fiber, bundled and second signal light propagation fiber that can propagate the laser beam oscillated or amplified, and a part of a portion between said second signal light transmission fiber of said second multimode optical fiber extension is melted been され前記アクティブファイバと光結合可能な分岐溶融部と、を有する戻し用コンバイナと、を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置が提供される。 And the active fiber and the optical coupling can be branched melted portion is, a fiber laser device comprising: the combiner for returning, to have a is provided.

また、本発明の他の一態様によれば、上記のファイバレーザ装置と、前記レーザ光の広がりを制御可能なビーム整形光学部と、被加工体を載置するステージと、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。 Further, according to another aspect of the present invention, the above fiber laser device, a spread controllably beam shaping optical unit of the laser beam, a stage for mounting a workpiece, further comprising a the laser processing apparatus is provided which is characterized.

また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記のレーザ加工装置から出射された前記レーザ光を前記被加工体に照射することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。 Further, according to still another aspect of the present invention, a laser processing method characterized by irradiating the laser light emitted from the laser machining apparatus to the workpiece is provided.

簡素な構造を有し、高効率且つ高出力が可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置及びレーザ加工方法が提供される。 It has a simple structure, high efficiency and high output can fiber laser device, a laser processing apparatus and a laser processing method 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。 Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の第1の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図である。 Figure 1 is a diagram showing a fiber laser device according to a first embodiment of the present invention. すなわち、図1(a)は構成図、図1(b)は励起用コンバイナの模式図、図1(c)は戻し用コンバイナの模式図である。 That is, FIG. 1 (a) is diagram, FIG. 1 (b) is a schematic diagram of a pumping combiner, FIG. 1 (c) is a schematic diagram of a combiner for the return.

ファイバレーザ装置5は、アクティブファイバ10、源発振器12、励起用コンバイナ20、戻し用コンバイナ30、及び励起光源40、を備えており、本実施形態は増幅器の機能を有する。 The fiber laser device 5, the active fiber 10, source oscillator 12, excitation combiner 20 comprises a combiner 30, and the excitation light source 40, for return, this embodiment has the function of an amplifier.

アクティブファイバ10は、シリカにYb(イッテルビウム)などの希土類元素が添加されたコア10a、内部クラッド10b、及び外部クラッド10cを有した光ファイバであり、コア10a及び内部クラッド10bの領域に励起光G2を結合させて、コア10aを伝搬する信号光G1を増幅できる。 Active fiber 10, silica Yb (ytterbium) core 10a doped with a rare earth element such as an optical fiber having inner cladding 10b, and the outer cladding 10c, the excitation light G2 in the region of the core 10a and the inner cladding 10b was allowed to bind, it amplifies the signal light G1 propagating the core 10a.

第1の励起用コンバイナ20は、源発振器12からのレーザ光である信号光G1が伝搬可能な第1の信号光伝搬ファイバ22、励起光G2が伝搬可能な第1の多モード光ファイバ24、及びこれらの一部が束ねられて一体化された合成溶融部26、を有している。 First excitation combiner 20, the source second is a laser beam is the signal light G1 from the oscillator 12 that can propagate the first optical signal propagating fiber 22, pumping light G2 first multimode optical fiber 24 capable propagation, and has a synthetic fused portion 26, which is integrated with the bundled part thereof. 第1の信号光伝搬ファイバ22は、信号光G1が伝搬可能なコア22a、及び信号光G1が伝搬しないクラッド22bを含む。 The first signal light propagation fiber 22 includes the signal light G1 propagation capable cores 22a, and the cladding 22b of the signal light G1 does not propagate.

また、第1の多モード光ファイバ24は、励起光G2が横方向多モードを保ちつつ伝搬可能である。 The first multi-mode optical fiber 24 can propagate the excitation light G2 is keeping the lateral multimode. さらに、合成溶融部26は、第1の信号光伝搬ファイバ22と、この外周に接するように束ねられた第1の多モード光ファイバ24と、が溶融により一体化される。 Moreover, synthetic fused portion 26, the first signal light propagation fiber 22, a first multimode optical fiber 24, which is bundled so as to contact the outer periphery, is integrated by melting. 例えば、第1の多モード光ファイバ24のコア24aの外径の範囲を100〜150μm、第1の信号光伝搬ファイバ22のクラッド22bの外径の範囲を100〜150μmとする。 For example, the range of the outer diameter of the core 24a of the first multimode optical fiber 24 100-150 .mu.m, the range of the outer diameter of the cladding 22b of the first signal light propagation fiber 22 and 100-150 .mu.m. 他方、アクティブファイバ10の内部クラッド10bの外径DAの範囲を、例えば300〜450μmとすると、この外径DAと、合成溶融部26の外径Dと、が略一致するように延伸すると、アクティブファイバ10と合成溶融部26との間で効率よく光結合が可能となる。 On the other hand, the range of the outside diameter DA of the inner cladding 10b of the active fiber 10, for example, the 300~450Myuemu, and the outer diameter DA, and the outside diameter D of the synthetic fused portion 26, when but extends to approximately coincide, the active efficient optical coupling between the fiber 10 and the synthetic fused portion 26 becomes possible. なお、図1において、多モード光ファイバ24は6つの枝ファイバ24aを有しているが、枝ファイバ24aの数はこれに限定されない。 In FIG. 1, the multi-mode optical fiber 24 has a 6 Tsunoeda fiber 24a, the number of branches fiber 24a is not limited thereto. なお、信号光伝搬ファイバ22が二重クラッド構造であってもよい。 Note that the signal light propagation fiber 22 may be a double clad structure.

第1の励起用コンバイナ20の一端面20a及びアクティブファイバ10の一方の端面10aが融着接続されると、信号光G1はアクティブファイバ10のコア10aに入射し、励起光G2は内部クラッド10b及びコア10aへ入射することが可能である。 When one end face 10a of the one end surface 20a and the active fiber 10 of the first excitation combiner 20 is fusion spliced, the optical signal G1 is incident on the core 10a of the active fiber 10, the pumping light G2 inner cladding 10b and it is possible to enter the core 10a. なお、信号光G1が励起用コンバイナ20を透過する場合の光損失は十分に低い。 The optical loss when the signal light G1 is transmitted through the excitation combiner 20 is sufficiently low.

増幅により高いレーザ光出力を得るには励起光G2の強度を高めることが必要であり、例えば光源として半導体レーザ(LD)を用いた励起光源40を配置し、それぞれの励起光を多モード光ファイバ24内に入射し、さらに合成して励起光G2とする。 To obtain a high laser beam output by the amplifier is required to increase the intensity of the excitation light G2, for example, an excitation light source 40 using a semiconductor laser (LD) arranged as a light source, a multi-mode optical fibers each of the excitation light It entered the 24, further combined to the excitation light G2. LDを用いると、励起光源40の小型化が容易となる。 With LD, downsizing of the excitation light source 40 is facilitated.

図1(c)は、アクティブファイバ10内において希土類元素に吸収されずに、アクティブファイバ10の他方の端面10bを透過した残余の励起光G3をアクティブファイバ10へ戻す第1の戻し用コンバイナ30を表す。 FIG. 1 (c), without being absorbed by the rare earth elements in the active fiber 10, the first return for combiner 30 to return the remainder of the excitation light G3 that has passed through the other end face 10b of the active fiber 10 to the active fiber 10 represent. すなわち、第1の戻し用コンバイナ30は、分岐溶融部36、N(N≧1)個の枝ファイバ34aを含む第2の多モード光ファイバ34、及び第2の信号光伝搬ファイバ32、を有している。 That is, the first return for combiner 30, have a second multimode optical fiber 34, and a second signal light transmission fiber 32, which includes a branch molten portion 36, N (N ≧ 1) number of branch fibers 34a doing. なお、本図ではN=6としている。 In this figure is set to N = 6. この場合も、分岐溶融部36の外径がアクティブファイバ10の内部クラッド10bの外径と略同一となるように延伸すると、効率よく光結合ができる。 Again, the outer diameter of the branch molten portion 36 is extended so as to be substantially the same as the outer diameter of the inner cladding 10b of the active fiber 10, it is efficient optical coupling. また、例えば、第2の多モード光ファイバ34のコア外径の範囲を100〜150μm、第2の信号光伝搬ファイバ32のクラッド32の外径の範囲を100〜150μmなどとすることができる。 Further, for example, the range of core outer diameter of the second multimode optical fiber 34 100-150 .mu.m, that the scope of the outer diameter of the cladding 32 of the second signal light propagation fiber 32, and the like 100-150 .mu.m. なお、第1及び第2の信号光伝搬ファイバ22、32、及びアクティブファイバ10は、シングルモード光ファイバ及び多モード光ファイバのいずれであってもよい。 The first and second signal light propagation fibers 22, 32, and the active fiber 10 may be either a single-mode optical fiber and multi-mode optical fiber.

第1の戻し用コンバイナ30の一端面30aと、アクティブファイバ10の他方の端面10bと、が融着接続されると、レーザ光G4がアクティブファイバ10のコア10aから出射し、戻しコンバイナ30を介して、外部へ出射可能となる。 And one end surface 30a of the first return for combiner 30, and the other end face 10b of the active fiber 10, when but are fusion-spliced, the laser beam G4 is emitted from the core 10a of the active fiber 10, through the return combiner 30 Te, it is possible to exit to the outside. また、アクティブファイバ10内で吸収されず、端面30aを透過した残余の励起光G3は、N個の枝ファイバ34a及び信号光伝搬ファイバ32に分岐される。 Further, without being absorbed in the active fiber 10, the remainder of the excitation light G3 passing through the end face 30a is branched into N branch fibers 34a and the signal light propagating fiber 32. なお、信号光伝搬ファイバ32が二重クラッド構造であってもよい。 The signal light propagating fiber 32 may be a double clad structure. 枝ファイバ34aに分岐された残余の励起光G3は、光戻し部であるループ状ファイバ35を介して他の枝ファイバ34aに戻る。 Residual excitation light G3 which is branched to the branch fiber 34a through the loop fiber 35 is an optical return unit returns to the other branch fiber 34a. 通常、ループ状ファイバ35内では、互いに逆の方向へ伝搬する残余の励起光G3が存在している。 Usually, the looped fibers 35 inside, there is a residual excitation light G3 propagating in the opposite directions to each other.

このようにして戻された残余の励起光G3は他方の端面10bから再びアクティブファイバ10へ入射し、希土類元素を励起できる。 Such residual excitation light G3 returned to the incident to an active fiber 10 again from the other end face 10b, it can be excited rare earth element. このようにすると、励起光G2を無駄なく使用できる。 In this way, it can be used without waste excitation light G2. なお、枝ファイバ34aの数Nを偶数とするとすべての枝ファイバ34aにおいて、残余の励起光G3を無駄なく戻すことができるのでより好ましい。 In all the branches fiber 34a when an even number N of branches fiber 34a, more preferable because the residual excitation light G3 can be returned without waste. なお、レーザ光G4が戻し用コンバイナ30を透過する場合の光損失は十分に低い。 The optical loss when the laser beam G4 is transmitted through the combiner 30 for return is sufficiently low.

図2は、比較例を説明する図である。 Figure 2 is a diagram illustrating a comparative example. すなわち、図2(a)は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成図、図2(b)は出力及び励起光透過率のファイバ長依存性をシミュレーションにより求めた特性を表すグラフ図である。 That is, the configuration of FIG. 2 (a) is a fiber laser device according to a comparative example, FIG. 2 (b) is a graph showing the characteristics obtained by simulation fiber length dependence of the output and the excitation light transmittance. 図2(a)のように、比較例にかかるファイバレーザ装置は、源発振器112、励起用コンバイナ120、励起光源140、及びアクティブファイバ110、を有しているが、戻しコンバイナを有していない。 As shown in FIG. 2 (a), a fiber laser device according to a comparative example, source oscillator 112, excitation combiner 120, the excitation light source 140, and the active fiber 110, has the has no return combiner .

また、図3は、Yb添加アクティブファイバの発光及び吸収スペクトル特性を表し、縦軸は相対スペクトル強度、横軸は波長(nm)である。 Further, FIG. 3 represents the emission and absorption spectral characteristics of the Yb-doped active fiber, the vertical axis represents the relative spectral intensity, and the horizontal axis represents wavelength (nm). 鎖線で表す光吸収の極大は波長が910及び975nmの近傍にあるので、励起光の波長をこの近傍とすると希土類元素における吸収を高めることができる。 Since maximum light absorption represented by dashed line wavelength is in the vicinity of 910 and 975 nm, the wavelength of the excitation light can increase the absorption in the rare earth element With this vicinity. また、図3に実線で表すような広い波長範囲の発光スペクトルのため、例えば1010nm以上の波長範囲においてレーザ光の増幅及び発振が可能である。 Further, since the emission spectrum of a wide wavelength range as represented by the solid line in FIG. 3, it is possible to amplify and oscillate a laser beam, for example, in 1010nm or more wavelength ranges.

また、Yb添加アクティブファイバは擬似3準位レーザであり、発光波長範囲と、吸収波長範囲と、が重なった破線で表すA領域がある。 Further, the Yb-doped active fiber is pseudo 3-level laser, there is a region A expressed by the emission wavelength range, the absorption wavelength range, are overlapped broken line. すなわち、ファイバレーザ装置のレーザ光波長を1000nm以上とすると、入射または増幅されたレーザ光の吸収を生じる。 That is, when a laser light wavelength of the fiber laser device and more 1000 nm, resulting in absorption of the incident or amplified laser beam.

図2(b)において、例えば信号光G1の波長が1040nmの場合、ファイバ長が略8.6mでレーザ光G4の出力が最大値1.8Wとなり、励起光G2の透過率が略25%となる。 In FIG. 2 (b), for example, when the wavelength of the signal light G1 is 1040 nm, the maximum value 1.8W next output of the laser light G4 fiber length is substantially 8.6 m, the transmittance of the excitation light G2 is 25% approximately Become. これよりもファイバ長が大きくなるに伴い励起光G2は希土類元素により吸収され、励起光強度がより低下していく。 Excitation light G2 with the fiber length is greater than this will be absorbed by the rare earth elements, excitation light intensity is lowered more. 励起光強度の低下により光吸収量が減少すると、アクティブファイバ110における利得が低下する。 When the light absorption amount decreases due to a decrease in the excitation light intensity, the gain in the active fiber 110 is reduced. 信号光G1の波長が1040nmの場合、ファイバ長が8.6mよりも大きくなると、利得が吸収損失よりも低下するので出力が減少していく。 If the wavelength of the signal light G1 is 1040 nm, the fiber length is greater than 8.6 m, the output since the gain is lower than the absorption loss is decreased.

信号光G1の波長を1064nmと長くすると、ファイバ長14mで出力最大値4Wとなり、透過率は略10%となる。 And the wavelength of the signal light G1 longer and 1064 nm, becomes maximum output value 4W in fiber length 14m, the transmittance becomes approximately 10%. また、信号光G1の波長を1070nmとすると、ファイバ長16.5mで出力最大値4.7Wとなり、透過率は略7%となる。 Also, if 1070nm wavelength of the signal light G1, fiber length output maximum 4.7W next at 16.5 m, the transmittance becomes approximately 7%. このように信号光G1の波長を長くする程、光吸収量が低下するので光出力をより高くできる。 Thus the longer the wavelength of the signal light G1, can higher light output because light absorption amount is reduced. また、光出力を最大とするファイバの適正長が存在する。 Moreover, the proper length of the fiber to the optical output and the maximum is present. ところがこのファイバの適正長において、励起光G2の透過率がゼロとはならず、透過した残余の励起光G3は、増幅及び発振に利用できず無駄となる。 However the proper length of the fiber, not the transmittance of the excitation light G2 is zero, the residual excitation light G3 transmitted is wasted not available for amplification and oscillation.

図4は、本実施形態の増幅特性をシミュレーションにより求めた結果を表すグラフ図である。 Figure 4 is a graph showing the result obtained by simulating a amplification characteristics of the present embodiment.
アクティブファイバ10への信号光G1は、波長が1040nm、光入力がCW100mWとする。 Signal light G1 to the active fiber 10 has a wavelength of 1040 nm, the light input to the CW100mW. また、アクティブファイバ10はYb添加ダブルクラッド構造とし、コア外径が20μm、クラッド外径が400μm、励起波長が920nm、及び励起光出力が10W、LD波長吸収係数が0.7dB/mとする。 Further, the active fiber 10 and Yb-doped double-clad structure, a core outer diameter 20 [mu] m, cladding diameter is 400 [mu] m, the excitation wavelength is 920 nm, and the excitation light output 10 W, is LD wavelength absorption coefficient is 0.7 dB / m. 縦軸はレーザ光の出力(W)及び励起光透過率(%)、横軸はファイバ長(m)をそれぞれ表す。 The vertical axis output of the laser beam (W) and the excitation light transmittance (%), abscissa represents fiber length (m) is, respectively.

光戻し部を有していない比較例において出力の最大値は略1.8Wである。 The maximum value of the output in the comparative example having no light returning portion is approximately 1.8 W. ファイバ長が8.6mにおいて、この出力最大値を得ることができるが、励起光の透過率は略25%であり残余の励起光は励起に寄与せず外部に放出される。 In the fiber length is 8.6 m, can be obtained the maximum output value, the excitation light transmittance of the excitation light is 25% approximately remainder is emitted to the outside without contributing to the excitation. これに対して、ファイバ長を8.6mとした本実施形態では、励起光G2の透過率が約46%であるが光戻し部であるループ状ファイバ35を介して、残余の励起光G3を再びアクティブファイバ10へ戻すので、励起光がより有効に利用できる。 In contrast, in the present embodiment described with 8.6m fiber length, through the loop fiber 35 is but the transmittance of the excitation light G2 is approximately 46% light back unit, the residual excitation light G3 since back again to the active fiber 10, the excitation light can be more effectively utilized. このために、光出力が略3.8Wとなり比較例の約2.1倍と高くできる。 For this, the light output can be as high as about 2.1 times the substantially 3.8W next comparative example. すなわち、励起光エネルギーを効率よくレーザ光G4に変換し、光出力を高くすることが容易である。 That is, to convert the excitation light energy efficiently to the laser light G4, it is easy to increase the light output. また、残余の励起光G3を無駄なく使用するので、励起光強度を低減でき励起光源40の小型化が容易となる。 Furthermore, since used without wasting the remaining excitation light G3, it is possible to reduce the excitation light intensity downsizing of the excitation light source 40 is facilitated. このようにして、ファイバレーザ装置5の構造が簡素にでき、且つ低消費電力とできる。 In this manner, a fiber laser device can structure simpler of 5, and can be a low power consumption.

図5は、第1の実施形態の第1変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図である。 Figure 5 is a block diagram of a fiber laser device according to a first modification of the first embodiment.
残余の励起光G3の光戻し部として、分岐溶融部36を構成する6つの枝ファイバ34aのそれぞれの端面34bに、残余の励起光G3を反射する反射層を形成している。 As the light returning part of the residual pumping light G3, the respective end surfaces 34b of the 6 Tsunoeda fibers 34a which constitute the branching molten portion 36, to form a reflective layer that reflects the remaining excitation light G3. すなわち、希土類元素に吸収されずに透過した残余の励起光G3をアクティブファイバ10に戻している。 That is, it returns the remainder of the excitation light G3 which is transmitted without being absorbed by the rare earth element activated fiber 10. このような光戻し部を用いても効率及び出力を高めることができる。 Using such an optical return part can also increase the efficiency and output. 反射層としては、例えば金属膜や多層膜などを用い、少なくとも励起光の波長範囲内の光を反射可能なコーティングとする。 As the reflective layer, such as a metal film or a multilayer film, and capable of reflecting light within a wavelength range of at least the excitation light coating.

図6は、第1の実施形態の第2〜第4変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図である。 Figure 6 is a block diagram of a fiber laser device according to the second to fourth modification of the first embodiment. すなわち、図6(a)は第2変形例、図6(b)は第3変形例、図6(c)は第4変形例をそれぞれ表す。 That is, each represent FIG. 6 (a) second modified example, FIG. 6 (b) third modification, FIG. 6 (c) a fourth modification.
図6(a)において、源発振器12と、アクティブファイバ10との間には戻し用コンバイナ31が配置され、励起用コンバイナ21はファイバレーザ装置5の出力側に配置されている。 In FIG. 6 (a), a source oscillator 12, is disposed back for combiner 31 between the active fiber 10, pumping combiner 21 is disposed on the output side of the fiber laser device 5. すなわち、図1に表す第1の実施形態とは反対の構成である。 That is, the opposite configuration to the first embodiment represented in FIG. この場合、アクティブファイバ10の他方の端部10b側において励起光出力を高く保つことができるので、励起強度を高めレーザ光出力を高めることが容易となる。 In this case, it is possible to maintain a high excitation light output at the other end 10b side of the active fiber 10, which facilitates increasing the laser beam output increases the excitation intensity.

図6(b)は、アクティブファイバ10を間に挟んで、第1の励起用コンバイナ20の反対側に第2の励起用コンバイナ21を配置し、且つ第1の戻し用コンバイナ30の反対側に第2の戻し用コンバイナ31をそれぞれ配置している。 6 (b) is sandwiched between the active fiber 10, the second excitation combiner 21 is disposed on the opposite side of the first excitation combiner 20, and on the opposite side of the first return for combiner 30 and a second return for the combiner 31 is disposed, respectively. アクティブファイバ10を両側励起することにより、励起強度を高めレーザ光出力をより高めることが容易となる。 By both sides excite the active fiber 10, it becomes easy to increase the laser beam output increases the excitation intensity. また、第1の戻し用コンバイナ30が配置されているので第1の励起用コンバイナ20からの励起光でアクティブファイバ10に吸収されなかった成分が第2の励起用コンバイナ21へ入射することを抑制し、励起光源40の安定動作と保護が容易となる。 Further, to suppress the component which has not been absorbed in the active fiber 10 with excitation light from the first excitation combiner 20 is incident on the second excitation combiner 21 because the first return for combiner 30 is arranged and, it is easy to protect the stable operation of the pumping light source 40. 同様に、第2の戻し用コンバイナ31が配置されているので第2の励起用コンバイナ21からの励起光でアクティブファイバ10に吸収されなかった成分が第1のコンバイナ20へ入射することを抑制し、励起光源40の安定動作と保護が容易となる。 Similarly, to suppress that component which has not been absorbed in the active fiber 10 with excitation light from the second excitation combiner 21 because the second return for the combiner 31 is arranged to enter the first combiner 20 , it is easy to protect the stable operation of the pumping light source 40.

図6(c)は、励起用コンバイナ20を源発振器12とアクティブファイバ10との間に配置し、第1の戻し用コンバイナ30を出力側に配置し、さらに第2の戻し用コンバイナ31を励起用コンバイナ20とアクティブファイバ10との間に配置する。 FIG. 6 (c), the excitation combiner 20 is disposed between the source oscillator 12 and the active fiber 10, the first return for the combiner 30 is disposed on the output side, further excites the second return for the combiner 31 disposed between the use combiner 20 and the active fiber 10. 第1の戻し用コンバイナ30により戻された残余の励起光G3がアクティブファイバ10内で吸収しきれず端面10aから第1の励起用コンバイナ20へ向かって伝搬することが生じ得る。 It may occur that the excitation light G3 residual returned by the first return for the combiner 30 is propagated toward the end face 10a not be absorbed in the active fiber 10 to the first excitation combiner 20. この場合、第2の戻し用コンバイナ31により、依然として残った残余の励起光G3の一部G5が再々度アクティブファイバ10に入射し励起に寄与できるので効率及び光出力をさらに高めることができる。 In this case, the second return for the combiner 31, still remaining residual part of the excitation light G3 G5 can further increase the efficiency and optical output since it contributes to the incident excited further again active fiber 10.

図7は、第2の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す構成図である。 Figure 7 is a block diagram showing a fiber laser device according to a second embodiment.
本実施形態のファイバレーザ装置5は、第1のFBG(Fiber Bragg Grating:ファイバ・ブラッグ・グレーティング)41、第1の励起用コンバイナ20、励起光源40、アクティブファイバ10、戻し用コンバイナ30、及び第2のFBG42、を備えており、発振器の機能を有している。 The fiber laser device 5 of the present embodiment, the first FBG (Fiber Bragg Grating: fiber Bragg grating) 41, first excitation combiner 20, pumping source 40, the active fiber 10, returning a combiner 30, and the 2 FBG42, has a has an oscillator functions. 第1及び第2のFBG41、42は光共振器を構成し、所望の波長のレーザ光の発振を可能としている。 First and second FBG41,42 constitutes the optical resonator, thereby enabling the oscillation of the laser light of a desired wavelength. この場合、源発振器を用いなくともよいので構成をより簡素にできる。 In this case, the structure since it without using the source oscillator simpler.

すなわち、第1のFBG41はコアに作り込まれたブラッグ回折格子により決まる反射波長λ の光G10を殆ど反射し、それ以外の波長を透過する。 That is, the first FBG41 are almost reflected light G10 of reflection wavelength lambda B determined by the Bragg diffraction grating is built in the core, transmits the other wavelengths. また、第2のFBG42はλ の波長を有する光G14の一部の光G16を反射し且つ残余の一部の光G18を透過し、λ 以外の波長の光を透過する。 Further, the second FBG42 transmits a portion of light G18 Some reflected and the remaining light G16 of the light G14 having a wavelength of lambda B, transmits light having a wavelength other than lambda B. 第1の戻し用コンバイナ30により、残余の励起光G3を戻し、効率及び出力が高められた発振器が可能となる。 The first return for combiner 30, returns the remainder of the excitation light G3, efficiency and output is possible oscillator elevated.

なお、第1及び第2のFBG41、42は、レーザ光に対する光共振器を構成すれば良いので、励起光G2をアクティブファイバ10へ透過できれば、励起用コンバイナ20及び戻し用コンバイナ30との相対位置は図7に表す位置には限定されない。 The first and second FBG41,42 Because may be configured an optical resonator for the laser beam, if transmitted through the excitation light G2 to the active fiber 10, the relative positions of the excitation combiner 20 and the return for the combiner 30 not limited to the position depicted in FIG.

図8は、第2の実施形態の変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図である。 Figure 8 is a block diagram of a fiber laser device according to a modification of the second embodiment. すなわち、図8(a)は第1変形例、図8(b)は第2変形例、図8(c)は第3変形例である。 That is, FIG. 8 (a) first modification, FIG. 8 (b) second modified example, FIG. 8 (c) is a third modified example.
図8(a)において、第1のFBG41及びアクティブファイバ10の間には第2の戻し用コンバイナ31が配置され、第2の励起用コンバイナ21はアクティブファイバ10及び第2のFBG42の間に配置されており、第2のFBG42を介して発振したレーザ光G18が出射される。 In FIG. 8 (a), between the first FBG41 and active fiber 10 is arranged a second return for the combiner 31, second excitation combiner 21 positioned between the active fiber 10 and the second FBG42 are, laser light G18 oscillated via the second FBG42 is emitted. すなわち、図7に表す第2の実施形態とは反対側の配置である。 That is, an arrangement opposite to the second embodiment represented in FIG. このようにしても、効率及び出力を高めることが可能である。 Also in this manner, it is possible to increase the efficiency and output.

図8(b)は、アクティブファイバ10を間に挟んで、第1の励起用コンバイナ20の反対側に第2の励起用コンバイナ21を配置し、且つ第1の戻し用コンバイナ30の反対側に第2の戻し用コンバイナ31をそれぞれ配置している。 FIG. 8 (b), in between the active fiber 10, the second excitation combiner 21 is disposed on the opposite side of the first excitation combiner 20, and on the opposite side of the first return for combiner 30 and a second return for the combiner 31 is disposed, respectively. アクティブファイバ10を両側励起することにより、励起強度を高めレーザ光出力をより高めることが容易となる。 By both sides excite the active fiber 10, it becomes easy to increase the laser beam output increases the excitation intensity.

図8(c)は、第1の励起用コンバイナ20を第1のFBG41及びアクティブファイバ10の間に配置し、第1の戻し用コンバイナ30を出力側に配置し、さらに第1の励起用コンバイナ20及びアクティブファイバ10の間に第2の戻し用コンバイナ31を配置する。 FIG. 8 (c), the first excitation combiner 20 is disposed between the first FBG41 and active fiber 10, the first return for the combiner 30 is disposed on the output side, further a first excitation combiner 20 and disposing a second return for the combiner 31 between the active fiber 10. 第1の戻し用コンバイナ30により戻された残余の励起光G3がアクティブファイバ10内で吸収しきれず端面10aから第1の励起用コンバイナ20へ向かって伝搬することが起こり得る。 It may occur that the excitation light G3 residual returned by the first return for the combiner 30 is propagated toward the end face 10a not be absorbed in the active fiber 10 to the first excitation combiner 20. この場合、第2の戻し用コンバイナ31により、依然として残った残余の励起光G3の一部G5が再々度アクティブファイバ10に入射し励起に寄与するので効率及び光出力をさらに高めることができる。 In this case, the second return for the combiner 31, still remaining residual part of the excitation light G3 G5 can be further increased efficiency and light output because it contributes to the incident on the further again active fiber 10 excited.

図9は、ファイバレーザ装置を備えたレーザ加工装置の構成図である。 Figure 9 is a block diagram of a laser machining apparatus having a fiber laser device. 第1または第2の実施形態及びこれらに付随した変形例にかかるファイバレーザ装置5からレーザ光が出射される。 Laser light is emitted from the fiber laser device 5 according to the modification accompanying the first or second embodiment and their. 光ファイバからの出射光は一般には広がるので、例えばビーム整形光学部50を用いて平行ビームとすると、加工点までの距離を広い範囲で設定できるのでレーザ加工装置の構成が容易となる。 Since light emitted from the optical fiber spreads generally, for example, when a parallel beam with a beam shaping optical unit 50, the configuration of the laser processing apparatus is facilitated since the distance to the processing point it can be set in a wide range. また、平行光をレンズなどを用いて集光すると、被加工体54上の加工点においてより高出力のレーザ光を得ることが容易になる。 Furthermore, when collecting light by using a lens collimated light, it is easy to obtain a laser beam with higher output at the processing point on the workpiece 54.

本実施形態にかかるファイバレーザ装置5は、励起光を効率よく利用し、且つレーザ光出力を高めることが可能であるので、レーザ加工装置を低消費電力とできる。 Fiber laser device 5 according to this embodiment, by using the excitation light efficiently, and therefore it is possible to increase the laser light output can be a laser processing apparatus with low power consumption. また、簡素な構造とすることができるので、小型化及び低価格化が容易である。 Further, it is possible to simple structure, is easy to size and cost reduction. さらに、高いレーザ出力とすることができるため、マルチステーションを備えたレーザ加工装置が容易に実現できる。 Furthermore, since it is possible to high laser output, laser machining apparatus equipped with a multi-station it can be easily realized.

また本実施形態のレーザ加工装置において、例えばXY平面内で移動可能なステージ52上に載置された被加工体54上でビームをスキャンすると、薄膜加工工程、電子デバイスなどのパッケージ表面へのマーキング工程、並びに液晶表示装置のリペア工程などが容易となり、電子デバイス製造プロセスの生産性が向上可能なレーザ加工方法が提供される。 The marking in the laser processing apparatus of the present embodiment, for example when scanning the beam on the workpiece 54 placed on the movable stage 52 in the XY plane, thin film processing step, the package surface, such as an electronic device step, and the like repair process of a liquid crystal display device is facilitated, the productivity of electronic device manufacturing process laser working method capable improved is provided. また、ビーム出力を高めると、金属の切断及び溶接が可能なレーザ加工方法が提供される。 Also, increasing the beam power, laser processing method capable of cutting and welding of metals is provided.

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。 Above, with reference to the drawings, and a description of embodiments of the present invention. しかしながら本発明はこれら実施の形態に限定されない。 However, the present invention is not limited to these embodiments. 本発明を構成するアクティブファイバ、源発振器、励起用コンバイナ、戻し用コンバイナ、信号光伝搬ファイバ、多モード光ファイバ、溶融部のサイズ、形状、材質、配置などに関して当業者が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。 Active fiber source oscillator constituting the present invention, which excitation combiner, the return for the combiner, signal light propagating fiber, multimode optical fiber, the size of the melting section, shape, material, arrangement those skilled in the art for such was design change even, it is within the scope of the present invention without departing from the gist of the present invention.

第1の実施形態にかかるファイバレーザ装置の模式図 Schematic diagram of a fiber laser device according to a first embodiment 光出力及び透過励起光のファイバ長依存性を表す図 Diagram illustrating a fiber length dependence of the light output and transmitted excitation light アクティブファイバの発光及び吸収スペクトル特性を表す図 Figure representing the emission and absorption spectra characteristic of the active fiber 第1の実施形態の増幅特性を説明するグラフ図 Graph illustrating the amplification characteristics of the first embodiment 第1変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図 Diagram of the fiber laser device according to a first modification 第2〜第4変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図 Diagram of the fiber laser device according to the second to fourth modification 第2の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図 Diagram of the fiber laser device according to a second embodiment 第2の実施形態の変形例にかかるファイバレーザ装置の構成図 Diagram of the fiber laser device according to a modification of the second embodiment レーザ加工装置の構成図 Configuration diagram of a laser processing device

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

5 ファイバレーザ装置、10 アクティブファイバ、12 源発振器、20、21 励起用コンバイナ、22 信号光伝搬ファイバ、24 多モード光ファイバ、26 合成溶融部、30、31 戻し用コンバイナ、32 信号光伝搬ファイバ、34 多モード光ファイバ、35 ループ状ファイバ、36 分岐溶融部、41、42 FBG、50 ビーム整形光学部、52 ステージ、54 被加工体、G1 信号光、G2 励起光、G3 残余の励起光、G4、G18 レーザ光 5 fiber laser unit, 10 an active fiber, 12 a source oscillator, 20 and 21 for excitation combiner 22 the signal light propagating fiber 24 multimode optical fiber, 26 synthetic fused portion, 30 and 31 return a combiner, 32 signal light propagating fiber, 34 multimode optical fiber, 35 looped fibers 36 branch molten portion, 41 and 42 FBG, 50 beam shaping optical unit, 52 stage, 54 workpiece, G1 signal light, G2 excitation light, G3 residual excitation light, G4 , G18 laser light

Claims (11)

  1. 励起光を伝搬可能な第1の多モード光ファイバと、レーザ光を伝搬可能な第1の信号光伝搬ファイバと、前記第1の多モード光ファイバの一部と前記第1の信号光伝搬ファイバの一部とが束ねられて溶融され延伸された合成溶融部と、を有する励起用コンバイナと、 A first multimode optical fiber capable of propagating an excitation light, the first signal light transmission fiber that can propagate the laser beam, a portion between the first signal light propagation fibers of said first multimode optical fiber a synthetic fused portion partially and is stretched melted are bundled in a pumping combiner having,
    前記合成溶融部と光結合可能であり、コアに添加された希土類元素が前記励起光の一部を吸収し前記レーザ光を発振または増幅可能なアクティブファイバと、 The synthetic fused portion and a light can be coupled, and an oscillation or amplifiable active fiber the laser beam rare earth elements added to the core to absorb a portion of the excitation light,
    前記励起光の残余の一部を前記アクティブファイバへ戻す光戻し部を有する第2の多モード光ファイバと、発振または増幅された前記レーザ光を伝搬可能な第2の信号光伝搬ファイバと、前記第2の多モード光ファイバの一部と前記第2の信号光伝搬ファイバの一部とが束ねられて溶融され延伸され前記アクティブファイバと光結合可能な分岐溶融部と、を有する戻し用コンバイナと、 Said second multimode optical fiber having an excitation light returning section a portion returning to the active fiber of the remaining, and the second signal light propagation fiber that can propagate the laser beam oscillated or amplification, wherein a part between the second and part of the signal light propagation fiber is drawn is melted by bundling the active fiber and the optical coupling can be branched melted portion of the second multimode optical fiber, and a combiner for returning having ,
    を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。 Fiber laser apparatus comprising the.
  2. 前記第1の多モード光ファイバのコアは、前記第1の信号光伝搬ファイバのクラッドと光結合可能であり、 The core of the first multimode optical fiber is capable cladding and the optical coupling of the first signal light propagation fiber,
    前記第2の多モード光ファイバのコアは、前記第2の信号光伝搬ファイバのクラッドと光結合可能であり、 The core of the second multimode optical fiber is capable cladding and the optical coupling of the second signal light propagation fiber,
    前記アクティブファイバの前記コアは、前記第1の信号光伝搬ファイバのコア及び前記第2の信号光伝搬ファイバのコアとそれぞれ光結合可能であ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。 Wherein said core of active fiber, fiber laser device according to claim 1, wherein the first signal light propagation fiber is the core of the core and the second signal light propagation fibers can respectively optically coupled.
  3. 前記光戻し部は、前記第2の多モード光ファイバの溶融されていない側の端面に設けられた反射層であるか、または前記第2の多モード光ファイバを構成する枝ファイバのうち少なくとも2つの枝ファイバの溶融されていない側のそれぞれの端面を接続した光結合部であることを特徴とする請求項1または2に記載のファイバレーザ装置。 The light returning unit, at least 2 of the branch fibers constituting the second molten or a reflective layer provided on the end face of the non side or the second multimode optical fiber, the multimode optical fiber the fiber laser device according to claim 1 or 2, characterized in that Tsunoeda an optical coupling section connecting the respective end faces of the side which is not melted fibers.
  4. 前記アクティブファイバの一方の端部にはレーザ光が入射し、他方の端部からは増幅された前記レーザ光が出射す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。 The laser beam is incident on one end of the active fiber, the fiber according to any one of claims 1 to 3 from the other end, characterized in that the laser light amplified is emitted laser device.
  5. 前記アクティブファイバの一方の端面と光結合可能な第1のファイバ・ブラッグ・グレーティングと、 While the first and the fiber Bragg grating of the end surface and the light can be coupled in the active fiber,
    前記アクティブファイバの他方の端面と光結合可能な第2のファイバ・ブラッグ・グレーティングと、 And the other end face and the second fiber Bragg grating optical possible binding of said active fiber,
    をさらに備え、 Further comprising a,
    前記第1及び第2のファイバ・ブラッグ・グレーティングによって構成される光共振器により発振した前記レーザ光は、前記第1及び第2のファイバ・ブラッグ・グレーティングのいずれかを介して外部へ出射可能とされた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。 The laser light oscillated by optical resonator constituted by the first and second fiber Bragg grating, and capable of emitting to the outside through the either of the first and second fiber Bragg grating the fiber laser device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is.
  6. 前記アクティブファイバの両側には、第1及び第2の励起用コンバイナがそれぞれ設けられ、 Wherein on both sides of the active fiber, the first and second excitation combiner are provided respectively,
    前記第1の励起用コンバイナと前記アクティブファイバとの間には、前記第2の励起用コンバイナからの前記励起光の前記残余の一部を戻す第2の戻しコンバイナが設けられ、 Wherein the first between the excitation combiner and the active fiber, a second return combiner returning a portion of the remainder of the excitation light from the second excitation combiner is provided,
    前記第2の励起用コンバイナと前記アクティブファイバとの間には、前記第1の励起用コンバイナからの前記励起光の前記残余の一部を戻す第1の戻し用コンバイナが設けられたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。 Wherein the second between the excitation combiner and the active fiber, characterized in that the first return for combiner for returning a portion of the remainder of the excitation light from the first excitation combiner is provided the fiber laser device according to any one of claims 1 to 5.
  7. 前記アクティブファイバの両側には、第1及び第2の戻し用コンバイナがそれぞれ設けられ、 Wherein on both sides of the active fiber, the first and second return for the combiner is provided respectively,
    前記第1の戻し用コンバイナは、前記励起用コンバイナ及び前記アクティブファイバを伝搬した前記励起光の前記残余の一部を前記アクティブファイバに戻し、 The first return for combiner returns a portion of the remaining propagated through the excitation combiner and the active fiber the pumping light in the active fiber,
    前記第2の戻し用コンバイナは、前記アクティブファイバ内を再度伝搬した前記励起光の前記残余の一部のうち依然として残った前記励起光を前記アクティブファイバに再々度戻すことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。 It said second return for combiner claim 1, characterized in that the excitation light still remaining within the portion of the remainder of the excitation light propagating in the active fiber again back further again in the active fiber the fiber laser device according to any one of to 5.
  8. 前記アクティブファイバの前記励起用コンバイナが配置された側から前記レーザ光を出射することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。 The fiber laser device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for emitting the laser beam from the side where the excitation combiner is arranged in the active fiber.
  9. 前記アクティブファイバの前記戻し用コンバイナが配置された側から前記レーザ光を出射することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。 The fiber laser device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for emitting the laser beam from the side where the return for the combiner is arranged in the active fiber.
  10. 請求項1〜9のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置と、 A fiber laser device according to any one of claims 1 to 9,
    前記レーザ光の広がりを制御可能なビーム整形光学部と、 A beam shaping optical unit capable of controlling the spread of the laser beam,
    被加工体を載置するステージと、 A stage for placing the object to be processed,
    を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 Laser processing apparatus characterized by comprising a.
  11. 請求項10記載のレーザ加工装置から出射された前記レーザ光を前記被加工体に照射することを特徴とするレーザ加工方法。 Laser processing method characterized by irradiating the laser beam emitted from the laser processing apparatus according to claim 10, wherein the workpiece.
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