JP2010278205A - Ｍｏｐａ光源 - Google Patents

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Abstract

【課題】基本波のパルスを簡易な構成で波長変換してパルス出力することが可能で、非加工時には簡易な方法で光出力を抑圧することが可能であるＭＯＰＡ光源を提供する。
【解決手段】種光源１０から出力された基本波の光は、増幅用光ファイバ４１〜４４において光増幅される。この光増幅された基本波の光は、受動光ファイバ４５の一端に入力されて、受動光ファイバ４５を伝搬する。受動光ファイバ４５においては、基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱が生じる。受動光ファイバ４５の他端からは基本波の光および誘導ラマン散乱成分の光が出力される。受動光ファイバ４５から出力された光は、レンズ７０によりコリメートされた後に分波器８０に入力される。この分波器８０に入力された光は、基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光と、基本波の波長以下の波長の光とに、波長分離される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＯＰＡ光源に関するものである。
ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）光源は、種光源から出力される種光を光増幅器により光増幅して、その増幅後の光を出力するものである。例えば、種光源として半導体レーザが用いられ、また、光増幅器として光ファイバ増幅器が用いられる。
このようなＭＯＰＡ光源は、出力光のパルス幅や繰り返し周波数などの諸条件の自由度が高く、レーザ加工や光計測など様々な用途のパルス光源として注目されている。ＭＯＰＡ光源は、モードロック方式のようにパルス周期が装置のハード的構造で制約されることが無い。
このような特徴を有するＭＯＰＡ光源は、レーザ微細加工などの用途に用いられる。その場合、加工したい部分に対してのみパルスレーザ光を照射し、その他の部分に対してはレーザ光を照射したくない、という要求が存在する。例えば、図１１に示されるように、加工対象物であるプリント基板Ａに対してレーザ光Ｌを照射することで孔あけ加工をする場合、孔をあけるべき位置においてレーザ光Ｌを照射する必要があるが、或る孔をあけた位置から次に孔をあけるべき位置までの移動経路（図中で破線で示す）は、電子部品が実装されるかも知れないパッドや、極細配線を形成する回路パターンとなるかも知れず、レーザ光照射により損傷を与えてはならない。
このような要求に応えるためのＭＯＰＡ光源として、音響光学スイッチのようなＱスイッチを備えるものが知られており、また、ＬＢＯやＰＰＬＮなどの非線形光学結晶を用いて波長変換により発生させた第２高調波（ＳＨＧ）や第３高調波（ＴＨＧ）を加工に用いるものも知られている（非特許文献１参照）。
Ｑスイッチを備えるＭＯＰＡ光源は、パルス発振しない時は微弱なＡＳＥ光が出力されるのみであるから、孔と孔との間の区間を加工してしまうおそれは小さい。
非線形光学結晶を用いて波長変換を行うＭＯＰＡ光源は、図１２に示されるように、基本波のパルス部分においてのみ高調波を発生させるので、ダイクロイックミラー等により高調波成分のみを加工対象物に照射し、基本波を加工対象物に照射させないようにすれば、孔と孔との間の区間を加工してしまうおそれはない。
Nan Ei YU, Sunao KURIMURA,Yoshiyuki NOMURA and Kenji KITAMURA, "Stable High-Power Green Light Generation withThermally Conductive Periodically Poled Stoichiometric Lithium Tantalate",Jpn. J. of Appl. Phys., vol.43, no.10A, 2004, pp.L1265-L1267
しかしながら、Ｑスイッチは消費電力が大きく高価であるので、Ｑスイッチを備えるＭＯＰＡ光源も消費電力が大きく高価となる。
非線形光学結晶を用いて波長変換を行うＭＯＰＡ光源では、非線形光学結晶が損傷するおそれがあり、信頼性上のリスクが存在する。また、非線形光学結晶は特定の偏波に対してのみ波長変換を行うので、ＭＯＰＡ光源に含まれる光増幅器が光ファイバ増幅器である場合、安定して高い波長変換効率を得るには、使用される増幅用光ファイバを偏波保持ファイバとしなければならず、接続の困難性やコスト上昇といった問題が存在する。
また、非線形光学結晶における位相整合条件を保つ為に、種光源から出力される光のスペクトル幅は０.１ｎｍ程度か又はそれ以下に保たれねばならず、増幅用光ファイバやその下流のデリバリ用光ファイバを伝搬する過程での非線形光学効果が十分に抑圧されねばならない。この為に、接続や収納の困難なＬＭＡ（Large-Mode-Area）ファイバを用いる必要が生じる。その一方で、光スペクトル幅が余りに狭いと、誘導ブリルアン散乱が発生し、光源自体が損傷する危険が増す。非線形光学結晶は、入射光による温度上昇を考慮しながら最適な温度に設定しなければならない。
種光源としての半導体レーザに供給される駆動電流を制御することで、孔と孔との間の区間で種光源の光出力を停止することも考えられるが、その場合、駆動電流が通常数Ａ〜数１０Ａに及ぶので、最短でも数１０μ秒ずつの立ち上り時間および立下り時間を要することになり、孔と孔との間の区間のビーム掃引時間を長く設定する必要が生じ、孔あけ時間とビーム掃引時間とを含めた全体の加工時間が大幅に長くなる。
孔と孔との間の区間で種光源の光出力を停止すると、その間、光増幅器においては無入力状態が続くこととなるが、やはり、上記ＣＷ出力と大差ないＡＳＥ出力が光増幅器から出続ける。
パルス発振を停止して種光源を常時ＯＮすると、ＣＷ出力が出続けることとなる。この場合、孔空け加工を再開した時には、巨大な光サージが発生して自己破壊を招くおそれがある。
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、パルス発振した光を光ファイバ増幅器で増幅するＭＯＰＡ光源であって、基本波のパルスを簡易な構成で波長変換してパルス出力することが可能で、非加工時には簡易な方法で光出力を抑圧することが可能であるＭＯＰＡ光源を提供することを目的とする。
本発明に係るＭＯＰＡ光源は、(1) 基本波のパルス光を発生させる種光源と、(2) 種光源から出力された基本波を光増幅する光ファイバ増幅部と、(3)光ファイバ増幅部により光増幅されて出力された基本波を入力して伝搬させ、この基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱を生じさせる受動光ファイバと、(4) 受動光ファイバから出力される光を入力し、この入力した光を波長分離して、主として基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光を出力する出力ポートを有する分波器とを備えることを特徴とする。
本発明に係るＭＯＰＡ光源は、種光源に対してパルス光またはＣＷ光を出力するよう指示する制御部を備えるのが好適である。
本発明に係るＭＯＰＡ光源は、分波器の出力ポートにおける基本波成分の抑圧比が１／１０以下であるのが好適である。また、分波器の光入射面が、光入射面に入力される光の光路に垂直な方向に対して３度以上傾斜しているのが好適である。
本発明に係るＭＯＰＡ光源では、種光源は、希土類元素が添加された光増幅性導波路を有し、この光増幅性導波路において基本波の増幅光を発生させるのが好適である。基本波の波長が、１.０６μｍ帯であるのも好適である。種光源が、１／１０００以上１／５００以下のデューティ比となるように設定されているのも好適である。
本発明に係るＭＯＰＡ光源は、基本波のパルスを簡易な構成で波長変換してパルス出力することが可能で、非加工時には簡易な方法で光出力を抑圧することが可能である。
本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１の構成を示す図である。 本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１に含まれる分波器８０の透過スペクトルの一例を示す図である。 本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１０に含まれるエンドキャップ６０から出力される光のスペクトルを示す図である。 本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１０に含まれる受動光ファイバ４５に光減衰器１００およびＷＤＭカプラ１１０を接続した構成を示す図である。 受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとしたときの出力光のパルス波形を示す図である。 受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとしたときの出力光の平均出力と１パルス当たりのパルスエネルギーとの関係を纏めた図表である。 受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとしたときの出力光のスペクトルを示す図である。 受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとしたときの出力光のパルス波形を示す図である。 受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとしたときの出力光の平均出力と１パルス当たりのパルスエネルギーとの関係を纏めた図表である。 受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとしたときの出力光のスペクトルを示す図である。 レーザ加工の一例を示す図である。 波長変換を説明する図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１の構成を示す図である。この図に示されるＭＯＰＡ光源１は、種光源１０、制御部１１、光アイソレータ２１〜２４、光カプラ３０〜３２、コンバイナ３３，３４、増幅用光ファイバ４１〜４４、受動光ファイバ４５、バンドパスフィルタ５０、エンドキャップ６０、レンズ７０、分波器８０、および、励起光源９０，９３，９４１〜９４５を備える。
種光源１０は、基本波のパルス光を発生させる。種光源１０は、希土類元素を添加した光増幅性導波路を有し、この光増幅性導波路において基本波を発生させるのが好適である。また、種光源１０は、１／１０００以上１／５００以下のデューティ比を有する基本波を発生させるのが好適である。種光源１０は例えば半導体レーザにより構成される。
また、種光源１０は、パルス光およびＣＷ光のうち一方を選択的に出力するものであるのが好適である。制御部１１は、種光源１０に対してパルス光およびＣＷ光のうち一方を選択的に出力するよう指示する。
光アイソレータ２１〜２４それぞれは、順方向に光を通過させるが、逆方向に向う光を遮断する。増幅用光ファイバ４１〜４４それぞれは、希土類元素が添加された光ファイバであって、励起光源９０，９３，９４１〜９４５の何れかから出力された励起光が光カプラ３０〜３２およびコンバイナ３３，３４の何れかを経て供給され、この励起光により希土類元素が励起されて、基本波の波長の光を光増幅することができる。励起光源９０，９３，９４１〜９４５それぞれは例えば半導体レーザにより構成される。
バンドパスフィルタ５０は、増幅用光ファイバ４１から出力される光のうち基本波の波長の光を選択的に透過させて出力する。受動光ファイバ４５は、増幅用光ファイバ４４から出力される基本波の光を入力して伝搬させ、この基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱を生じさせる。エンドキャップ６０は、受動光ファイバ４５の先端に設けられていて、受動光ファイバ４５から外部へ光を出射する。レンズ７０は、エンドキャップ６０から出射された光をコリメートする。
分波器８０は、レンズ７０によりコリメートされた光を入力して波長分離し、基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光を選択的に出力する出力ポートを有する。分波器８０は、例えば、ダイクロイックミラーにより構成され、基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光を選択的に透過させ、基本波の波長以下の波長の光を選択的に反射させる。分波器８０の出力ポートにおける基本波成分の抑圧比が１／１０以下であるのが好適である。また、分波器３０は、その光入射面に垂直な方向に対して３度以上傾斜した方向から光を入力するのが好適である。
このＭＯＰＡ光源１は以下のように動作する。励起光源９０から出力された励起光は光カプラ３０により２分岐され、２分岐された一方の励起光は光カプラ３１を経て増幅用光ファイバ４１に供給され、２分岐された他方の励起光は光カプラ３２を経て増幅用光ファイバ４２に供給される。励起光源９３から出力された励起光は光コンバイナ３３を経て増幅用光ファイバ４３に供給される。また、励起光源９４１〜９４５それぞれから出力された励起光は光コンバイナ３４を経て増幅用光ファイバ４４に供給される。
種光源１０から出力された基本波の光は、光アイソレータ２１および光カプラ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において光増幅される。増幅用光ファイバ４１において光増幅されて出力された基本波の光は、バンドパスフィルタ５０，光アイソレータ２２および光カプラ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において光増幅される。
増幅用光ファイバ４２において光増幅されて出力された基本波の光は、光アイソレータ２３および光コンバイナ３３を経て増幅用光ファイバ４３に入力され、この増幅用光ファイバ４３において光増幅される。増幅用光ファイバ４３において光増幅されて出力された基本波の光は、光アイソレータ２４および光コンバイナ３４を経て増幅用光ファイバ４４に入力され、この増幅用光ファイバ４４において光増幅される。
４本の増幅用光ファイバ４１〜４４を含む光ファイバ増幅部において光増幅された基本波の光は、受動光ファイバ４５の一端に入力されて、受動光ファイバ４５を伝搬する。受動光ファイバ４５においては、基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱が生じる。受動光ファイバ４５の他端からは基本波の光および誘導ラマン散乱成分の光が出力される。
ここで受動光ファイバ４５は、増幅用光ファイバ４４と等しいコア径ならびにコアのＮＡを有する事が望ましい。これらファイバとしての設計が異なると融着ロスが発生し、増幅用光ファイバ４４と受動光ファイバ４５の融着部はパワーも高いので、光損傷に繋がる恐れもある。
受動光ファイバ４５から出力された光は、レンズ７０によりコリメートされた後に分波器８０に入力される。この分波器８０に入力された光は、基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光と、基本波の波長以下の波長の光とに、波長分離される。
このＭＯＰＡ光源１の具体的な構成例は以下のとおりである。種光源１０は、波長１０６０ｎｍ帯の光を基本波として出力する。増幅用光ファイバ４１〜４４それぞれは、Ｙｂ元素が添加された光ファイバ（ＹｂＤＦ）であり、コア径が精々１０μｍであり、ＬＭＡファイバとは呼べず、融着接続や収納が容易である。
ＹｂＤＦは励起波長と被増幅光の波長が近く、ＹｂＤＦ内部での熱の発生が小さく抑えられるという利点を有し、産業用レーザ光源には好適である。
第１段の増幅用光ファイバ４１は、単一クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。
第２段の増幅用光ファイバ４２は、単一クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。
第３段の増幅用光ファイバ４３は、二重クラッドのリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦであり、Ｐ濃度が２６.４wt％であり、Ａｌ濃度が０.８wt％であり、コア径が１０μｍであり、第一クラッド径が１２５μｍ程度であり、第一クラッドの断面が８角形であり、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が１.８ｄＢ／ｍであり、長さが３.６ｍである。
第４段の増幅用光ファイバ４４は、二重クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が１.５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２８μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が１.５ｄＢ／ｍであり、長さが４ｍである。
励起光源９０，９３，９４１〜９４５ それぞれから出力される励起光の波長は０.９７５μｍ帯である。励起光源９０の出力ファイバは、コア径が６μｍであり、ＮＡが０.０８である。励起光源９３，９４１〜９４５それぞれの出力ファイバは、コア径が１０５μｍであり、ＮＡが０.２２である。増幅用光ファイバ４１，４２それぞれに供給される励起光のパワーは２００ｍＷである。増幅用光ファイバ４３に供給される励起光のパワーは２Ｗである。増幅用光ファイバ４４に供給される励起光のパワーは３０Ｗである。
以上のような具体的な構成を有するＭＯＰＡ光源１において、種光源１０をＣＷ動作させた場合、エンドキャップ６０から出力される光のパワーは１８.５Ｗである。
分波器８０は、図２に示されるような透過スペクトルを有する。このような良好な波長分離特性を有する分波器８０は、誘電体多層膜フィルタにより実現され得る。分波器８０の光損傷の危険を低減するには、分波器８０に入射する光のビーム直径を１０ｍｍ程度に広げることが望ましい。また、光路に対して分波器８０を垂直に設置すると、分波器８０により反射された光は戻り光となって種光源１０を破壊するおそれがあるので、図１に示されるとおり、分波器８０は光路に対して例えば４５°の角度で設置されることが望ましい。
分波器８０は、１０６０ｎｍの波長成分を遮断し、それより長い波長成分のみを透過させる。図３は、本実施形態に係るＭＯＰＡ光源１０に含まれるエンドキャップ６０から出力される光のスペクトルを示す図である。ここでは、種光源１０から出力されるパルス光の繰り返し周波数を１００ｋＨｚおよび５０ｋＨｚそれぞれとし、パルス幅を１０ｎｓとした。この図に示されるように、エンドキャップ６０から出力される光のスペクトルにおいて、種光源１０から出力される種光の波長である１０６０ｎｍ帯より長波長側に誘導ラマン散乱成分が広がっている。分波器８０は、このような誘導ラマン散乱成分を選択的に透過させる。
模擬的に、図１中のエンドキャップ６０，レンズ７０および分波器８０に替えて、図４に示されるように、受動光ファイバ４５の出射端から出力される光を光減衰器１００により減衰させた後、その光を９７５／１０６０ｎｍＷＤＭカプラ１１０により分波して、ＷＤＭカプラ１１０の９７５ｎｍ出力ポートからの出力光のパルス波形およびスペクトルを測定した結果を図５〜図１０に示す。
図５〜図７は、受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとしたときの出力光の特性を示す図である。図５は、出力光のパルス波形を示す図である。図６は、出力光の平均出力と１パルス当たりのパルスエネルギーとの関係を纏めた図表である。また、図７は、出力光のスペクトルを示す図である。受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとした場合、その長さとの関係でパルス繰返し周波数が７９.８７ｋＨｚ以下の場合は誘導ラマン散乱が生じないので、これらの図ではパルス周波数を１００ｋＨｚ以上としている。
図８〜図１０は、受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとしたときの出力光の特性を示す図である。図８は、出力光のパルス波形を示す図である。図９は、出力光の平均出力と１パルス当たりのパルスエネルギーとの関係を纏めた図表である。また、図１０は、出力光のスペクトルを示す図である。受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとした場合、パルスピークが５０ｋＷとなるのは、パルス繰返し周波数が７９.８７ｋＨｚであるときである。
なお、図５、図８の出力光のパルス波形は、光減衰器１００のロス分を補正した後の値である。
パルスピークを高くするには、パルス繰返し周波数を小さくすることが重要であり、そのためには受動光ファイバ４５を短くすることが重要である。一方で、変換効率を高くするには、受動光ファイバ４５を長くすることが重要である。すなわち、受動光ファイバ４５の長さ４.９ｍ，０.９ｍは、実用的なレーザ加工光源装置におけるデリバリファイバの長さの上限と下限にほぼ相当する。
受動光ファイバ４５の長さを４.９ｍとした場合、パルス繰返し周波数が１６６.７ｋＨｚであるときに、パルスピークは最大の３０ｋＷに達している。ここからパルス繰返し周波数が１００ｋＨｚに下がったからといってパルスピークは大幅に増大することはなく、やはりパルスピークは精精３０ｋＷに留まる。そして、平均出力は、パルス繰返し周波数が１６６.７ｋＨｚであるときに最大で９Ｗを越え、上述のＣＷ動作させたときの光出力１８．５Ｗのほぼ半分に相当する。この５０％の変換効率は、非特許文献１に記載されたＳＨＧの変換効率と比較しても遜色なく、ましてやＴＨＧより高い。
一方、受動光ファイバ４５の長さを０.９ｍとした場合、図９に示されるとおり、平均出力はパルス繰返し周波数が１００ｋＨｚであるときに７.４Ｗに達し、変換効率は４０％程度に留まるが、パルスのピークは５０ｋＷ近くに達する。
すなわち、加工対象物に応じてパルス繰返し周波数とともに受動光ファイバ４５の長さを適切に調整すれば、所望のピークパワーおよびパルス繰返し周波数の組み合わせが実現できると期待される。
本実施形態によれば、非線形光学結晶を用いるコスト上昇や信頼性の劣化、更に、光ファイバ増幅部分を偏波保持構造にするコストならびに製造工数、を回避することができる。また、光ファイバ増幅部の非線形効果を避けるためにＬＭＡファイバを導入しなくても済む。
種光源１０が出力する基本波のデューティ比が１／１０００以上１／５００以下であることが好ましい。このデューティ比の上限は、パルスピークが小さくならない限度として設定される。また、このデューティ比の下限は、ラマン変換効率を維持する上で最低限の比として設定される。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、分波器８０において反射された基本波および短波長側の誘導ラマン散乱成分を、長波長側の誘導ラマン散乱成分とは別に加工用に使用しても良い。
また、非加工時には、制御部１１による制御により種光源１０をＣＷ出力に切り替えることで、受動光ファイバ４５からは、誘導ラマン散乱成分が生じることがなく、したがって、分波器８０の長波長側の誘導ラマン散乱成分の出力ポートからの出力は略ゼロとなる。分波器８０により基本波より短波長側にあるＡＳＥ光成分は除外される。
また、受動光ファイバ４５は、波長変換の為に長さが或る程度の値に限定されるので、デリバリ用には長さが不十分なことがある。その場合は、分波器８０から先の光学系の伝搬路の一部に別の誘導ラマン散乱の発生しづらいデリバリ用光ファイバを配置しても良い。
１…ＭＯＰＡ光源、１０…種光源、１１…制御部、２１〜２４…光アイソレータ、３０〜３２…光カプラ、３３，３４…コンバイナ、４１〜４４…増幅用光ファイバ、４５…受動光ファイバ、５０…バンドパスフィルタ、６０…エンドキャップ、７０…レンズ、８０…分波器、９０，９３，９４１〜９４５…励起光源。

Claims (7)

  1. 基本波のパルス光を発生させる種光源と、
    前記種光源から出力された基本波を光増幅する光ファイバ増幅部と、
    前記光ファイバ増幅部により光増幅されて出力された基本波を入力して伝搬させ、この基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱を生じさせる受動光ファイバと、
    前記受動光ファイバから出力される光を入力し、この入力した光を波長分離して、主として基本波より長波長の誘導ラマン散乱成分の光を出力する出力ポートを有する分波器と、
    を備えることを特徴とするＭＯＰＡ光源。
  2. 前記種光源に対してパルス光またはＣＷ光を出力するよう指示する制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
  3. 前記分波器の前記出力ポートにおける基本波成分の抑圧比が１／１０以下であることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
  4. 前記分波器の光入射面が、前記光入射面に入力される光の光路に垂直な方向に対して３度以上傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
  5. 前記種光源が、希土類元素が添加された光増幅性導波路を有し、前記光増幅性導波路において基本波の増幅光を発生させることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
  6. 前記基本波の波長が、１.０６μｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
  7. 前記種光源が、１／１０００以上１／５００以下のデューティ比となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＰＡ光源。
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