JP2010080642A - Fiber laser device, laser processing apparatus, and laser processing method - Google Patents

Fiber laser device, laser processing apparatus, and laser processing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber laser device, a laser processing apparatus, and a laser processing method, capable of obtaining high power pulse laser beams efficiently. <P>SOLUTION: In the fiber laser device, the laser processing apparatus, and the laser processing method, the fiber laser device includes: a first seed light source for emitting first pulse seed beams; a second seed light source for emitting second pulse seed beams having a wavelength different from that of the first pulse seed beams; an excitation light source for emitting an excitation light; and an optical fiber in which a rare-earth element added to a core absorbs the excitation light, and which emits first laser beams having first amplified beams in which the first pulse seed beams are amplified and second amplified beams in which the second pulse seed beams are amplified. <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、並びにレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a fiber laser device, a laser processing device, and a laser processing method.

レーザ加工装置では、高出力のパルスレーザ光が要求される。このために、固体レーザまたは半導体レーザからのパルスシード光を、ファイバアンプにより増幅して高出力パルスレーザ光を得ることが多い。   A laser processing apparatus requires high-power pulsed laser light. For this reason, pulse seed light from a solid state laser or semiconductor laser is often amplified by a fiber amplifier to obtain high output pulse laser light.

ファイバアンプは、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバアンプは利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。   In the fiber amplifier, the excitation light is absorbed by the rare earth element added to the core, and gain is generated by stimulated emission to amplify the pulse seed light. However, since fiber amplifiers generally have a wide wavelength range that produces gain, it is difficult to efficiently extract the energy that is excited to a high output level and stored.

増幅効率が良好な光増幅器に関する技術開示例がある(特許文献1)。この技術開示例では、ツリウムとネオジウムとをコアに添加した光ファイバを利得媒体とし、ツリウムによる光増幅時に発生する波長0.8μm帯の自然放出光をネオジウムに吸収させ、波長1.47μm帯の光の増幅を効率よく行う。
しかしながら、この技術開示例を用いてもレーザ加工装置に必要とされる出力を得るのに十分ではない。例えばパルスシード光の波長を非線形結晶を用いて波長変換したのちに、レーザ加工する必要がある場合など、非線形結晶の許容波長幅が狭いために変換効率が低下する問題などを生じる。
特開2002−246673号公報
There is a technology disclosure example regarding an optical amplifier with good amplification efficiency (Patent Document 1). In this technical disclosure example, an optical fiber in which thulium and neodymium are added to the core is used as a gain medium, and spontaneous emission light having a wavelength of 0.8 μm generated during light amplification by thulium is absorbed by neodymium. Amplifies light efficiently.
However, using this example of technical disclosure is not sufficient to obtain the output required for the laser processing apparatus. For example, when it is necessary to perform laser processing after converting the wavelength of the pulse seed light using a nonlinear crystal, there is a problem that the conversion efficiency is lowered because the allowable wavelength width of the nonlinear crystal is narrow.
JP 2002-246673 A

高い効率で高出力パルスレーザ光を取り出すことが可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法を提供する。   Provided are a fiber laser device, a laser processing device, and a laser processing method capable of extracting high-power pulsed laser light with high efficiency.

本発明の一態様によれば、第1のパルスシード光を放出可能な第1のシード光源と、前記第1のパルスシード光の波長とは異なる波長を有する第2のパルスシード光を放出可能な第2のシード光源と、励起光を放出可能な励起光源と、コアに添加された希土類元素が前記励起光を吸収し、前記第1のパルスシード光が増幅された第1の増幅光と前記第2のパルスシード光が増幅された第2の増幅光とを有する第1のレーザ光を放出可能とする光ファイバと、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。   According to one aspect of the present invention, a first seed light source capable of emitting a first pulse seed light and a second pulse seed light having a wavelength different from the wavelength of the first pulse seed light can be emitted. A second seed light source, an excitation light source capable of emitting excitation light, a first amplified light in which the rare earth element added to the core absorbs the excitation light and the first pulse seed light is amplified, There is provided a fiber laser device comprising: an optical fiber capable of emitting a first laser light having a second amplified light obtained by amplifying the second pulse seed light.

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、前記第1のレーザ光を整形しビームを形成する照射光学部と、前記ビームにより加工される被加工体を載置可能なステージと、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。   According to another aspect of the present invention, the above-described fiber laser device, an irradiation optical unit that shapes the first laser light to form a beam, and a workpiece to be processed by the beam are mounted. There is provided a laser processing apparatus comprising a possible stage.

また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記のファイバレーザ装置から放出された前記第1のレーザ光を整形してビームを形成し、前記ビームをスキャンしつつ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。   According to still another aspect of the present invention, the first laser light emitted from the fiber laser device is shaped to form a beam, and the workpiece is irradiated while scanning the beam. A laser processing method is provided.

高い効率で高出力パルスレーザ光を取り出すことが可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法が提供される。   Provided are a fiber laser device, a laser processing device, and a laser processing method capable of extracting high-power pulsed laser light with high efficiency.

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。すなわち、図1(a)は構成図、図1(b)は光ファイバからのフリーランスペクトル、図1(c)はパルスシード光のスペクトル、図1(d)は増幅光のスペクトル、をそれぞれ表す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a fiber laser device according to a first embodiment of the present invention. That is, FIG. 1A is a configuration diagram, FIG. 1B is a free-run spectrum from an optical fiber, FIG. 1C is a pulse seed light spectrum, and FIG. 1D is an amplified light spectrum. To express.

シード光源10は少なくとも2つの光源を有する。第1のシード光源10aからのパルスシード光S1と、第2のシード光源10bからのパルスシード光S2と、が第1のコンバイナ12により結合され、光ファイバ18に入射可能となる。レーザ加工装置の場合、パルスシード光の波長には赤外光を用いることが多いが、特に1000nm近傍が良く用いられる。また、シード光源10を半導体レーザとすると、そのスペクトル幅(Δλ)は、通常1〜2nmの範囲内とできる。なお、スペクトル幅Δλは、相対光強度がピーク値の2分の1となる波長幅で表すものとする。   The seed light source 10 has at least two light sources. The pulse seed light S1 from the first seed light source 10a and the pulse seed light S2 from the second seed light source 10b are combined by the first combiner 12 and can enter the optical fiber 18. In the case of a laser processing apparatus, infrared light is often used as the wavelength of pulse seed light, but in particular, the vicinity of 1000 nm is often used. Further, when the seed light source 10 is a semiconductor laser, its spectral width (Δλ) can usually be in the range of 1 to 2 nm. Note that the spectrum width Δλ is represented by a wavelength width at which the relative light intensity is one half of the peak value.

第1のコンバイナ12と、光ファイバ18と、の間には第2のコンバイナ14が配置される。第2のコンバイナ14は、励起光源16からの励起光Eを光ファイバ18に入射するために設けられる。すなわち、パルスシード光S1、S2は第2のコンバイナ14を通過して、光ファイバ18の入力端18aから光ファイバ18のコアに入射する。励起光Eは、第2のコンバイナ14を介して光ファイバ18の入力端18aからコア及びクラッドに入射できる。   A second combiner 14 is disposed between the first combiner 12 and the optical fiber 18. The second combiner 14 is provided to allow the excitation light E from the excitation light source 16 to enter the optical fiber 18. That is, the pulse seed lights S 1 and S 2 pass through the second combiner 14 and enter the core of the optical fiber 18 from the input end 18 a of the optical fiber 18. The pumping light E can enter the core and the clad from the input end 18a of the optical fiber 18 via the second combiner 14.

また、励起光Eの波長は、例えば800〜1100nmの範囲とする。励起光源16を半導体レーザにより構成する場合、その出力をコンバイナ(図示せず)などを用いて合成すると高出力を得ることが容易となる。なお、●印はファイバ融着箇所を表す。   Further, the wavelength of the excitation light E is, for example, in the range of 800 to 1100 nm. When the excitation light source 16 is composed of a semiconductor laser, a high output can be easily obtained by combining the outputs using a combiner (not shown). The mark ● represents the position where the fiber is fused.

光ファイバ18は、Yb(イッテルビウム)やTm(ツリウム)などの希土類元素が添加されたコアを有しており、励起光Eの一部がコアを通過する間に希土類元素に吸収される。パルスシード光S1、S2は、励起された希土類元素からの誘導放出により生じる利得のために増幅されて、光ファイバ18の出力端18bより放出可能となる。   The optical fiber 18 has a core to which a rare earth element such as Yb (ytterbium) or Tm (thulium) is added, and a part of the excitation light E is absorbed by the rare earth element while passing through the core. The pulse seed lights S1 and S2 are amplified due to the gain generated by stimulated emission from the excited rare earth element, and can be emitted from the output end 18b of the optical fiber 18.

Yb添加石英ファイバからなる光ファイバ18を用いてファイバアンプ19を構成する場合、フリーランのスペクトルは、図1(b)のように略1040nm及び略1075nm近傍にスペクトル極大値を有し、且つそのゲイン幅は、例えば数十nmとなり、半導体レーザのスペクトル幅よりも少なくとも数倍広い。   When the fiber amplifier 19 is configured using the optical fiber 18 made of Yb-doped silica fiber, the free-run spectrum has spectral maximum values in the vicinity of about 1040 nm and about 1075 nm as shown in FIG. The gain width is several tens of nanometers, for example, and is at least several times wider than the spectral width of the semiconductor laser.

図1(c)のように、パルスシード光S1、S2の平均出力Psを2Wなどと低くすると、そのスペクトル幅が2nmよりも狭く、例えば1.5nmとできる。また、パルスシード光S1、S2の中心波長は、図1(b)のゲイン幅の範囲内にあり、その中心波長の差は、それぞれのスペクトル幅のいずれよりも大きいものとする。   As shown in FIG. 1C, when the average output Ps of the pulse seed lights S1 and S2 is lowered to 2 W or the like, the spectrum width is narrower than 2 nm, for example, 1.5 nm. Further, the center wavelengths of the pulse seed lights S1 and S2 are within the range of the gain width of FIG. 1B, and the difference between the center wavelengths is larger than any of the respective spectrum widths.

パルスシード光S1、S2の増幅光G1、G2の平均出力Pgを、例えば15Wとすると、そのスペクトル幅はいずれも略2nmとなり、図1(d)のようなスペクトルとなる。   If the average output Pg of the amplified light G1 and G2 of the pulse seed light S1 and S2 is 15 W, for example, the spectrum width is approximately 2 nm, and the spectrum is as shown in FIG.

第1の実施形態では、ゲイン幅が広いファイバアンプ19において、パルスシード光を2つ以上用い且つそれぞれの中心波長の差をパルスシード光S1、S2のスペクトル幅のいずれよりも大きくすることにより、実効的にパルスシード光の波長幅を広げることができる。このために、光ファイバ18の広いゲイン幅範囲に蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが容易となる。   In the first embodiment, in the fiber amplifier 19 having a wide gain width, two or more pulse seed lights are used, and the difference between the respective center wavelengths is made larger than any of the spectral widths of the pulse seed lights S1 and S2. It is possible to effectively widen the wavelength width of the pulse seed light. For this reason, it becomes easy to efficiently extract the energy stored in the wide gain range of the optical fiber 18.

図2は、比較例にかかるファイバレーザ装置のスペクトルを説明する図である。すなわち、図2(a)はパルスシード光のスペクトル、図2(b)は高励起状態の増幅光のスペクトル、を表す。
図2(a)のように、パルスシード光S11は、例えばスペクトル幅が2nmよりも狭いものとする。平均出力70Wのような高励起とする場合、増幅光G11はスペクトル幅が略5nmと広がる。ファイバアンプはゲイン幅が広く、パルスシード光S11の中心波長から離れた波長においてもゲインがある。このため、中心波長において増幅光を取り出すことが容易であるが、中心波長から離れた波長においては光ファイバに蓄積されたエネルギーを取り出すことが困難となる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the spectrum of the fiber laser device according to the comparative example. That is, FIG. 2A shows a spectrum of pulse seed light, and FIG. 2B shows a spectrum of amplified light in a highly excited state.
As shown in FIG. 2A, the pulse seed light S11 has a spectral width narrower than 2 nm, for example. In the case of high excitation such as an average output of 70 W, the amplified light G11 has a spectrum width that extends to approximately 5 nm. The fiber amplifier has a wide gain range, and there is gain even at a wavelength away from the center wavelength of the pulse seed light S11. For this reason, it is easy to extract the amplified light at the center wavelength, but it becomes difficult to extract the energy accumulated in the optical fiber at a wavelength away from the center wavelength.

図3は、増幅光のスペクトル幅の励起レベル依存性を表すグラフ図である。すなわち、図3(a)はPs=2Wのパルスシード光、図3(b)はPg=15Wの増幅光、図3(c)はPg=70Wの増幅光、の相対光強度をそれぞれ表す。
パルスシード光Psは半導体レーザからの放出光とし、そのスペクトル幅Δλが、例えば1.5nmとする。励起を高め増幅光の平均出力Pgを、15、70Wと増大していくと、中心波長では平均出力Pgが次第に飽和し且つゲインが低下していく。すなわち、励起を高めていくと中心波長では出力が飽和するので、1つのパルスシード光を用いて誘導放出により取り出せるエネルギーが限られ、効率が低下していく。また、中心波長から僅かに離れた近傍では利得が残っており、スペクトル幅Δλが、2nm(Pg=15W)、5nm(Pg=70W)と次第に広がる。
FIG. 3 is a graph showing the excitation level dependence of the spectral width of the amplified light. 3A shows the relative light intensity of the pulse seed light of Ps = 2 W, FIG. 3B shows the amplified light of Pg = 15 W, and FIG. 3C shows the amplified light of Pg = 70 W.
The pulse seed light Ps is emitted light from the semiconductor laser, and its spectral width Δλ is 1.5 nm, for example. When the excitation is increased and the average output Pg of the amplified light is increased to 15, 70 W, the average output Pg gradually saturates and the gain decreases at the center wavelength. That is, as the excitation is increased, the output is saturated at the center wavelength, so that the energy that can be extracted by stimulated emission using one pulse seed light is limited, and the efficiency decreases. Further, a gain remains in the vicinity slightly away from the center wavelength, and the spectrum width Δλ gradually widens to 2 nm (Pg = 15 W) and 5 nm (Pg = 70 W).

第1の実施形態では、パルスシード光S1、S2の増幅光G1、G2が飽和しないように、平均出力Pgを15Wなどに抑える。且つ、スペクトル幅以上離れた中心波長を有する少なくとも2つのパルスシード光S1、S2をファイバアンプ19に入射し、それぞれの波長において増幅を行う。これら2つの増幅光G1、G2は出力飽和が抑制されゲインを高く保つことができるので、光ファイバ18に蓄積されたエネルギーを高い効率で取り出すことができる。   In the first embodiment, the average output Pg is suppressed to 15 W or the like so that the amplified lights G1 and G2 of the pulse seed lights S1 and S2 are not saturated. In addition, at least two pulse seed lights S1 and S2 having a center wavelength separated by a spectrum width or more are incident on the fiber amplifier 19 and are amplified at the respective wavelengths. Since the two amplified lights G1 and G2 can suppress the output saturation and keep the gain high, the energy stored in the optical fiber 18 can be extracted with high efficiency.

また、このファイバレーザ装置5をレーザ加工装置の光源として用いる場合、増幅光G1、G2は被加工体に効率よく吸収される。なお、パルスシード光の数は2つに限定されず、第3のパルスシード光S3などを用いても良い。ファイバアンプ19のゲイン幅内において、パルスシード光の数を増すと、被加工体に照射且つ吸収されるエネルギーを増すことができる。   When this fiber laser device 5 is used as a light source of a laser processing apparatus, the amplified lights G1 and G2 are efficiently absorbed by the workpiece. The number of pulse seed lights is not limited to two, and third pulse seed light S3 or the like may be used. When the number of pulse seed lights is increased within the gain width of the fiber amplifier 19, the energy irradiated and absorbed on the workpiece can be increased.

図4は、第2の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
本実施形態では、非線形結晶を用いて基本波の第2次高調波(波長は基本波の2分の1)、または第3次高調波(波長は基本波の3分の1)が生成可能である。また、本図のファイバレーザ装置5は、中心波長が異なる少なくとも2つの増幅光G1、G2を分離する分配器40と、波長変換部50と、タイミング制御器30と、をさらに備えている。
FIG. 4 is a configuration diagram of a fiber laser device according to the second embodiment.
In this embodiment, the second harmonic (wavelength is one half of the fundamental wave) or the third harmonic (wavelength is one third of the fundamental wave) can be generated using a nonlinear crystal. It is. The fiber laser device 5 of this figure further includes a distributor 40 that separates at least two amplified lights G1 and G2 having different center wavelengths, a wavelength converter 50, and a timing controller 30.

波長変換部50は、SHG(Second Harmonic Generation:第2次高調波生成)素子及びTHG(Third Harmonic Generation:第3次高調波生成)素子などの非線形結晶素子52、54を有している。非線形結晶素子52、54の材料は、例えばLBO:LiBなどとすることができる。パルスシード光S1、S2の波長を赤外光範囲とすると、波長変換光H1、H2の波長を紫外〜可視光の波長範囲とすることができる。 The wavelength conversion unit 50 includes nonlinear crystal elements 52 and 54 such as a SHG (Second Harmonic Generation) element and a THG (Third Harmonic Generation) element. The material of the nonlinear crystal elements 52 and 54 can be, for example, LBO: LiB 3 O 5 or the like. When the wavelengths of the pulse seed lights S1 and S2 are in the infrared light range, the wavelengths of the wavelength converted lights H1 and H2 can be in the wavelength range of ultraviolet to visible light.

図5は、本実施形態における増幅光及び波長変換光のスペクトル幅を説明する図である。すなわち、図5(a)はパルスシード光のタイミング図、図5(b)は増幅光のスペクトル、図5(c)は波長変換光のスペクトル、である。
パルスシード光S1、S2は、タイミング制御器30により交互に放出されており、そのスペクトル幅Δλは2nm以下とし、且つこれらの中心波長差をそれぞれのパルスシード光S1、S2のスペクトル幅のいずれよりも大きいものとする。
FIG. 5 is a diagram illustrating the spectral widths of the amplified light and the wavelength converted light in the present embodiment. 5A is a timing diagram of pulse seed light, FIG. 5B is a spectrum of amplified light, and FIG. 5C is a spectrum of wavelength converted light.
The pulse seed lights S1 and S2 are alternately emitted by the timing controller 30, and the spectral width Δλ is set to 2 nm or less, and the difference between the central wavelengths is determined by any of the spectral widths of the respective pulse seed lights S1 and S2. Is also assumed to be large.

この場合、増幅光G1、G2の平均出力Pgを略15Wとすると、そのスペクトル幅Δλは図5(b)のように2nmよりも少し大きくなる。このために、増幅光G1とG2とを合わせた実効的なスペクトル幅Δλは5nmよりも大きくなる。本実施形態では、2つの増幅光G1、G2の出力飽和を抑制できるので、それぞれの取り出し効率を高く保つことが容易である。   In this case, when the average output Pg of the amplified lights G1 and G2 is about 15 W, the spectrum width Δλ becomes slightly larger than 2 nm as shown in FIG. For this reason, the effective spectral width Δλ obtained by combining the amplified lights G1 and G2 becomes larger than 5 nm. In the present embodiment, since the output saturation of the two amplified lights G1 and G2 can be suppressed, it is easy to keep the extraction efficiency high.

光ファイバ18の出力端18bからの出力を用いてレーザ加工を行う場合、これらの増幅光G1、G2を有するレーザ光GTを用いてビームを形成し、被加工体に照射すればよい。   When laser processing is performed using the output from the output end 18b of the optical fiber 18, a beam may be formed using the laser light GT having the amplified light G1 and G2, and the workpiece may be irradiated.

非線形結晶素子52、54の許容波長幅は、図5(c)に表すように、例えば1nmと狭い。このスペクトル幅Δλは増幅光のスペクトル幅よりも通常狭いので、増幅光G1を波長変換する非線形結晶素子52と、増幅光G2を波長変換する非線形結晶素子54と、は異なる光路に分離して配置することが好ましい。すなわち、タイミング制御器30によりシード光源10と同期したEO素子42を用いることにより、非線形結晶素子52を含む光路、または非線形結晶素子54を含む光路、のいずれかに切り替える。   As shown in FIG. 5C, the allowable wavelength width of the nonlinear crystal elements 52 and 54 is as narrow as 1 nm, for example. Since this spectral width Δλ is usually narrower than the spectral width of the amplified light, the nonlinear crystal element 52 that converts the wavelength of the amplified light G1 and the nonlinear crystal element 54 that converts the wavelength of the amplified light G2 are separated into different optical paths. It is preferable to do. That is, by using the EO element 42 synchronized with the seed light source 10 by the timing controller 30, the optical path including the nonlinear crystal element 52 or the optical path including the nonlinear crystal element 54 is switched.

図6は、波長変換光のスペクトルを表すグラフ図である。すなわち、図6(a)は基本波、図6(b)は第2次高調波、図6(c)は第3次高調波、の相対光強度をそれぞれ表す。
基本波のスペクトル幅Δλが略4nmである場合、第2次高調波のスペクトル幅Δλは略1nm、第3次高調波のスペクトル幅Δλは略0.5nmと狭くなる。波長変換の許容波長幅は非線形結晶の長さにより決まるが、通常はこのように狭くなる。このために、増幅光G1、G2のスペクトル幅が、例えば図3(c)のように5nmと広くなるように高励起しても、光ファイバに蓄積されたエネルギーを変換効率よく用いることが困難となる。
FIG. 6 is a graph showing the spectrum of wavelength converted light. 6A shows the relative light intensity of the fundamental wave, FIG. 6B shows the second harmonic, and FIG. 6C shows the relative light intensity of the third harmonic.
When the spectrum width Δλ of the fundamental wave is approximately 4 nm, the spectrum width Δλ of the second harmonic is as narrow as approximately 1 nm, and the spectrum width Δλ of the third harmonic is as narrow as approximately 0.5 nm. The allowable wavelength width for wavelength conversion is determined by the length of the nonlinear crystal, but is usually narrow in this way. For this reason, it is difficult to use the energy accumulated in the optical fiber with high conversion efficiency even when the excitation light G1 and G2 are excited so that the spectral width is as wide as 5 nm as shown in FIG. It becomes.

これに対して本実施形態では、発生タイミングが交互とされた増幅光S1、S2のスペクトル幅Δλが、非線形結晶素子52の許容波長幅に近づくように狭くする。このようにすると、波長変換光H1、H2への変換効率を高めることが容易となる。また、少なくとも2つの増幅光G1、G2を用いるので、光ファイバ18に蓄積されたエネルギーを効率よく取り出せる。このようにして、波長変換光H1、H2を有するレーザ光GTを放出可能である。波長変換により生成された紫外〜可視光波長範囲のレーザ光を用いると、半導体層のレーザアニールや液晶表示装置の加工が容易となる。   In contrast, in the present embodiment, the spectral width Δλ of the amplified light S1 and S2 whose generation timings are alternated is narrowed so as to approach the allowable wavelength width of the nonlinear crystal element 52. If it does in this way, it will become easy to raise the conversion efficiency to wavelength conversion light H1 and H2. Further, since at least two amplified lights G1 and G2 are used, the energy accumulated in the optical fiber 18 can be extracted efficiently. In this way, it is possible to emit the laser light GT having the wavelength conversion lights H1 and H2. Use of laser light in the ultraviolet to visible wavelength range generated by wavelength conversion facilitates laser annealing of the semiconductor layer and processing of the liquid crystal display device.

図4では、EO(Electro-Optic:電気光学)素子42と、タイミング制御器30と、を同期させている。すなわち、EO素子42を用い、偏光を90度回転する場合と、回転しない場合と、の差により増幅光G1、G2をポラライザ44により分離可能とする。2つ以上の増幅光の場合でも、EO素子42に対してポラライザ44を多段に直列配置することにより分離が可能となる。なお、EO素子42の材料としては、KHPO、LiNbOなどを用いることができる。 In FIG. 4, the EO (Electro-Optic) element 42 and the timing controller 30 are synchronized. That is, using the EO element 42, the amplified light G1 and G2 can be separated by the polarizer 44 depending on the difference between when the polarization is rotated 90 degrees and when the polarization is not rotated. Even in the case of two or more amplified lights, separation can be performed by arranging the polarizers 44 in series with respect to the EO element 42 in multiple stages. As a material for the EO element 42, KH 2 PO 4 , LiNbO 3 or the like can be used.

また、EO素子の代わりにAO(Acousto-Optic:音響光学)素子を用いて、その屈折角を変化しても増幅光G1、G2の分離が可能である。AO素子は、LiTaO、LINbO、TeO、及びCdSなどの材料からなり、高周波電圧により生じる超音波により屈折率を周期的に変化させ、偏光の方向を制御可能とする。 Further, using an AO (Acousto-Optic) element instead of the EO element, the amplified lights G1 and G2 can be separated even if the refraction angle is changed. The AO element is made of a material such as LiTaO 3 , LINbO 3 , TeO 2 , and CdS. The refractive index is periodically changed by ultrasonic waves generated by a high frequency voltage, and the direction of polarization can be controlled.

さらに、ゲイン幅が広いTm添加光ファイバなどの場合、増幅光G1、G2の中心波長差を大きくすると、ダイクロイックミラーを用いて増幅光G1、G2の分離及び合成が可能となる。    Further, in the case of a Tm-doped optical fiber having a wide gain width, when the center wavelength difference between the amplified lights G1 and G2 is increased, the amplified lights G1 and G2 can be separated and combined using a dichroic mirror.

非線形結晶素子52、54による波長変換光H1、H2の光軸を合わせてレーザ光GTとする(合成)手段45として、例えばポラライザ(EO素子の場合)、コンバイナ、ダイクロイックミラーなどを用いることができる。   For example, a polarizer (in the case of an EO element), a combiner, a dichroic mirror, or the like can be used as the laser beam GT (combining) means 45 by combining the optical axes of the wavelength-converted lights H1 and H2 by the nonlinear crystal elements 52 and 54. .

図7は、本実施形態にかかるレーザ加工装置の構成図である。
また、図8は、レーザ加工方法を表すフロー図である。
レーザ加工装置は、図1または図4に表すようなファイバレーザ装置5、ビームBTを所望の形状に形成し且つビームスキャンを可能とする照射光学部60、及び被加工体64を載置可能なステージ62を備えている。
FIG. 7 is a configuration diagram of the laser processing apparatus according to the present embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing the laser processing method.
The laser processing apparatus can mount a fiber laser apparatus 5 as shown in FIG. 1 or 4, an irradiation optical unit 60 that forms a beam BT in a desired shape and enables beam scanning, and a workpiece 64. A stage 62 is provided.

中心波長がそれぞれのスペクトル幅以上に離れた2つのパルスシード光S1、S2をシード光源から発生させファイバアンプにより増幅する(S102)。   Two pulse seed lights S1 and S2 whose center wavelengths are separated by more than the respective spectral widths are generated from the seed light source and amplified by a fiber amplifier (S102).

続いて、増幅光G1、G2の波長変換を行うか否かを決定し(S104)、YESの場合、パルスシード光S1、S2を分配器で分離し(S106)、非線形結晶素子により波長変換を行う(S108)。NOの場合、ビーム整形(S112)へ進む。   Subsequently, it is determined whether or not wavelength conversion of the amplified light G1 and G2 is performed (S104). If YES, the pulse seed light S1 and S2 are separated by a distributor (S106), and wavelength conversion is performed by a nonlinear crystal element. Perform (S108). If NO, the process proceeds to beam shaping (S112).

波長変換された波長変換光H1、H2は、再び光軸が合わされ(S110)、レーザ光GTとなる。レーザ光GTは、照射光学部60により所望の形状を有するビームBTに整形される(S112)。ビームBTの形状は、例えばライン状またはスポット状などに形成可能である。ライン状のビームBTとする場合、その幅を数〜50μm、ラインビーム長を500nmなどとすると、被加工体64を高いスループットで処理可能となる。   The wavelength converted lights H1 and H2 that have undergone wavelength conversion are aligned again (S110) to become laser light GT. The laser beam GT is shaped into a beam BT having a desired shape by the irradiation optical unit 60 (S112). The shape of the beam BT can be formed in, for example, a line shape or a spot shape. When the line-shaped beam BT is used, if the width is several to 50 μm and the line beam length is 500 nm, the workpiece 64 can be processed with high throughput.

ビームBTは、ステージ62上に載置された被加工体64にスキャンされつつ照射されレーザ加工が行われる(S114)。このようにして、半導体などのアニール、液晶装置の加工、ガラスの加工、などが可能となり、電子デバイスの製造工程の生産性を高めることが容易となる。   The beam BT is irradiated while being scanned onto the workpiece 64 placed on the stage 62 (S114). In this way, annealing of a semiconductor or the like, processing of a liquid crystal device, processing of glass, and the like can be performed, and it becomes easy to increase productivity in the manufacturing process of an electronic device.

また、本実施形態にかかるレーザ加工装置は固体レーザ方式であり、ハロゲンガスなどを用いないでよく、装置のメンテナンスが容易である。また、エキシマレーザではパルス幅は略30ns近傍であるが、本実施形態ではパルス幅を可変とでき、例えばより長くすることが容易となる。   Further, the laser processing apparatus according to the present embodiment is a solid-state laser system, and it is not necessary to use halogen gas or the like, and maintenance of the apparatus is easy. In addition, although the pulse width is approximately 30 ns in the excimer laser, in the present embodiment, the pulse width can be made variable, for example, it can be easily increased.

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する光ファイバ、シード光源、分配器、波長変換部、照射光学部、励起光源、及びタイミング制御器の材質、形状、サイズ、配置、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 embodiment of the present invention has been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. Those skilled in the art made various design changes regarding materials, shapes, sizes, arrangements, etc. of the optical fiber, seed light source, distributor, wavelength conversion unit, irradiation optical unit, excitation light source, and timing controller constituting the present invention. However, it is included in 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を表す図The figure showing the fiber laser apparatus concerning a 1st embodiment 比較例にかかるファイバレーザ装置のスペクトルを説明する図The figure explaining the spectrum of the fiber laser apparatus concerning a comparative example 増幅光のスペクトル幅の励起レベル依存性を表すグラフ図A graph showing the excitation level dependence of the spectral width of the amplified light 第2の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図The block diagram of the fiber laser apparatus concerning 2nd Embodiment 増幅光及び波長変換光のスペクトル幅を説明する図The figure explaining the spectrum width of amplified light and wavelength conversion light 波長変換光のスペクトルを表すグラフ図Graph showing the spectrum of wavelength converted light レーザ加工装置の構成図Configuration diagram of laser processing equipment レーザ加工方法を表すフロー図Flow diagram showing laser processing method

符号の説明Explanation of symbols

5 ファイバレーザ装置、10 シード光源、16 励起光源、18 光ファイバ、30 タイミング制御器、40 分配器、42 EO素子、50 波長変換部、52、54 非線形結晶素子、60 照射光学部、62 ステージ、64 被加工体、S1、S2 パルスシード光、G1、G2 増幅光、H1、H2 波長変換光、GT レーザ光、BT ビーム、E 励起光   5 fiber laser device, 10 seed light source, 16 excitation light source, 18 optical fiber, 30 timing controller, 40 distributor, 42 EO element, 50 wavelength conversion unit, 52, 54 nonlinear crystal element, 60 irradiation optical unit, 62 stage, 64 Workpiece, S1, S2 Pulse seed light, G1, G2 amplified light, H1, H2 wavelength conversion light, GT laser light, BT beam, E excitation light

Claims (8)

第1のパルスシード光を放出可能な第1のシード光源と、
前記第1のパルスシード光の波長とは異なる波長を有する第2のパルスシード光を放出可能な第2のシード光源と、
励起光を放出可能な励起光源と、
コアに添加された希土類元素が前記励起光を吸収し、前記第1のパルスシード光が増幅された第1の増幅光と前記第2のパルスシード光が増幅された第2の増幅光とを有する第1のレーザ光を放出可能とする光ファイバと、
を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。
A first seed light source capable of emitting a first pulse seed light;
A second seed light source capable of emitting a second pulse seed light having a wavelength different from the wavelength of the first pulse seed light;
An excitation light source capable of emitting excitation light;
A rare earth element added to the core absorbs the excitation light, and a first amplified light obtained by amplifying the first pulse seed light and a second amplified light obtained by amplifying the second pulse seed light. An optical fiber capable of emitting a first laser beam having;
A fiber laser device comprising:
前記第1の増幅光と前記第2の増幅光とを分離可能な分配器と、
前記第1の増幅光を高調波に変換する第1の非線形結晶素子と、前記第2の増幅光を高調波に変換する第2の非線形結晶素子と、を有する波長変換部と、
をさらに備え、
前記第1の非線形結晶素子による第1の変換光と、前記第2の非線形結晶素子による第2の変換光と、を有する第2のレーザ光を放出可能と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。
A distributor capable of separating the first amplified light and the second amplified light;
A wavelength conversion unit including: a first nonlinear crystal element that converts the first amplified light into a harmonic; and a second nonlinear crystal element that converts the second amplified light into a harmonic;
Further comprising
2. The second laser light having a first converted light by the first nonlinear crystal element and a second converted light by the second nonlinear crystal element can be emitted. The fiber laser device described.
前記第1のパルスシード光の前記波長と前記第2のパルスシード光の前記波長との差は、
前記第1のパルスシード光のスペクトル幅及び前記第2のパルスシード光のスペクトル幅のいずれよりも大きい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 difference between the wavelength of the first pulse seed light and the wavelength of the second pulse seed light is:
3. The fiber laser device according to claim 1, wherein the fiber laser device is larger than both of a spectrum width of the first pulse seed light and a spectrum width of the second pulse seed light.
前記第1のパルスシード光の前記スペクトル幅及び前記第2のパルスシード光の前記スペクトル幅は、2nm以下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。   4. The fiber laser device according to claim 1, wherein the spectrum width of the first pulse seed light and the spectrum width of the second pulse seed light are 2 nm or less. 5. . 前記第1及び第2のパルスシード光の入射タイミングをずらして前記光ファイバへ入射可能とするタイミング制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置。   The fiber according to any one of claims 1 to 4, further comprising a timing controller that shifts the incident timing of the first and second pulse seed lights so that the first and second pulse seed lights can enter the optical fiber. Laser device. 前記分配器は、前記タイミング制御器により制御可能な電気光学素子、前記タイミング制御器により制御可能な音響光学素子、及びダイクロイックミラー、よりなる群から選択されたいずれかを有することを特徴とする請求項5記載のファイバレーザ装置。   The distributor includes any one selected from the group consisting of an electro-optic element that can be controlled by the timing controller, an acousto-optic element that can be controlled by the timing controller, and a dichroic mirror. Item 6. The fiber laser device according to Item 5. 請求項1〜6のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置と、
前記第1または前記第2のレーザ光を整形しビームを形成する照射光学部と、
前記ビームにより加工される被加工体を載置可能なステージと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
The fiber laser device according to any one of claims 1 to 6,
An irradiation optical unit that shapes the first or second laser beam to form a beam;
A stage on which a workpiece to be processed by the beam can be placed;
A laser processing apparatus comprising:
請求項1〜6のいずれか1つに記載のファイバレーザ装置から放出された前記第1または前記第2のレーザ光を整形してビームを形成し、
前記ビームをスキャンしつつ被加工体に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
A beam is formed by shaping the first or the second laser light emitted from the fiber laser device according to any one of claims 1 to 6.
A laser processing method for irradiating a workpiece while scanning the beam.
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