JP2012038895A - Fiber laser light source and wavelength conversion laser light source using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、安定なパルス光発生が可能なファイバレーザ光源およびそれを用いた波長変換レーザ光源に関するものである。 The present invention relates to a fiber laser light source capable of generating stable pulsed light and a wavelength conversion laser light source using the same.
１μｍ帯の波長の光を発生するレーザ光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ等の固体レーザが主流であり、これらを用いたレーザ加工機やこれらの光を基本波とした可視光源などが実現されている。ところが、大出力のレーザ出力を得るためには、レーザ媒質の冷却が必要となり装置が大型になる。そこで、簡単な冷却でＷ級の高出力を持つファイバレーザ光源が求められている。 Solid-state lasers such as Nd: YAG laser and Nd: YVO 4 laser are mainly used as laser light sources that generate light having a wavelength of 1 μm band. A light source is realized. However, in order to obtain a large laser output, the laser medium needs to be cooled, and the apparatus becomes large. Therefore, there is a demand for a fiber laser light source having a W class high output with simple cooling.
このファイバレーザ光源の基本動作について説明する。レーザ活性物質を含むファイバの両端側にファイバグレーティングを設けて一対の反射ミラーを形成する共振器を作り、励起用レーザ光源からの励起光をファイバの一端から入射する。この励起光はファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収されると、レーザ活性物質が自然発光を発生する。ファイバ内部で発生した自然発光は、共振器の中を何度も反射して往復する間に、位相のそろった光となり、レーザ活性物質により増幅されて光強度が増加する。同時に、ファイバグレーティングにより波長選択されるので、波長のそろったレーザ発振となる。なお、ファイバとファイバグレーティングとは、接続部で融着接続されており、励起用レーザ光源は電流駆動される。 The basic operation of this fiber laser light source will be described. A fiber grating is provided on both ends of the fiber containing the laser active material to form a resonator that forms a pair of reflecting mirrors, and excitation light from the excitation laser light source is incident from one end of the fiber. When this excitation light is absorbed by the laser active material contained in the fiber, the laser active material generates spontaneous emission. Spontaneous light emission generated inside the fiber is reflected in the resonator many times and goes back and forth, and becomes light with the same phase, and is amplified by the laser active material to increase the light intensity. At the same time, since the wavelength is selected by the fiber grating, laser oscillation with a uniform wavelength is obtained. The fiber and the fiber grating are fusion-bonded at the connection portion, and the excitation laser light source is driven by current.
高いピークパワーを持つパルスレーザ光源であれば、穴あけなどのレーザ加工、高効率波長変換などさらに用途が広がる。そのため、Ｑスイッチを利用したファイバレーザによるパルス光発生装置がある。これは、内部に希土類をレーザ活性物質として添加したファイバの両端にファイバブラッググレーティング（以下、「ＦＢＧ」とする）を設け、２つのＦＢＧ間でレーザ共振器を構成する。さらに共振器内に設けた過飽和吸収体よりレーザの過飽和吸収特性を利用してパルス発生が行われている。過飽和吸収特性によりＱスイッチ動作が可能となり、モードロックを利用することでファイバレーザの出力端から超短パルスレーザ光を発生させている（例えば、特許文献１を参照。）。 If it is a pulse laser light source with a high peak power, the application will further expand such as laser processing such as drilling and high-efficiency wavelength conversion. Therefore, there is a pulsed light generator using a fiber laser using a Q switch. This is because a fiber Bragg grating (hereinafter referred to as “FBG”) is provided at both ends of a fiber to which a rare earth is added as a laser active material, and a laser resonator is formed between two FBGs. Furthermore, pulses are generated from the saturable absorber provided in the resonator by utilizing the saturable absorption characteristics of the laser. The Q-switch operation is enabled by the supersaturated absorption characteristics, and ultrashort pulse laser light is generated from the output end of the fiber laser by using mode lock (see, for example, Patent Document 1).
また、同様のファイバとこれを挟む１組のＦＢＧとで構成されるファイバレーザ装置において励起用のレーザ光源の入力パターンを最適化して矩形状の光パルスの先頭にサージパルスを伴わないようにして安定な矩形状の光パルスを生成する技術が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。このような構成により、不安定なサージパルスがないディスプレイや各種の分析などの用途に最適な安定な矩形状の光パルスを得ることができるとしている。 In addition, in a fiber laser device composed of a similar fiber and a pair of FBGs sandwiching the same, an input pattern of a pumping laser light source is optimized so that no surge pulse is accompanied at the head of a rectangular light pulse. A technique for generating a stable rectangular optical pulse is known (see, for example, Patent Document 2). With such a configuration, it is possible to obtain a stable rectangular light pulse that is optimal for uses such as a display without various unstable surge pulses and various types of analysis.
また、ファイバを用いた光源でパルス発光させる方法としては、変調された種光源をファイバアンプで増幅する方法がある。このような例として変調された種光源をファイバアンプで増幅する構成として、ファイバレーザ発振器（ＭＯ部）とファイバレーザ増幅器（ＰＡ部）とを直列に接続して一定出力の高出力パルス列を発生するファイバレーザ装置において、発振器と増幅器との励起開始のタイミングを工夫することにより、光パルスが発生する最初の段階から安定な一定出力の光パルス列が得られるとしている（例えば、特許文献３、及び４を参照。）。 Further, as a method of emitting light with a light source using a fiber, there is a method of amplifying a modulated seed light source with a fiber amplifier. In such an example, a modulated seed light source is amplified by a fiber amplifier, and a fiber laser oscillator (MO unit) and a fiber laser amplifier (PA unit) are connected in series to generate a high output pulse train with a constant output. In the fiber laser device, by devising the timing of starting the excitation of the oscillator and the amplifier, a stable and constant output optical pulse train can be obtained from the first stage in which the optical pulse is generated (for example, Patent Documents 3 and 4). See).
しかしながら、前記従来の構成では、パルス間隔が短いと問題はないが、例えば１００μ秒以上にパルス間隔を広げると、パルス間隔に依存したレーザパルスの出力低下が生じる。また、ファイバレーザへパルス励起信号を入力してからレーザパルスが発生するまでの時間の遅れが増加する。すなわち、レーザパルスの間隔を広くして連続的にレーザパルスを発生させると、レーザパルスの出力や出力タイミングが大きく変動するという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, there is no problem if the pulse interval is short. However, if the pulse interval is increased to, for example, 100 μsec or more, the output of the laser pulse depends on the pulse interval. In addition, the time delay from the input of the pulse excitation signal to the fiber laser until the generation of the laser pulse increases. In other words, when laser pulses are generated continuously with a wide interval between laser pulses, there is a problem that the output and output timing of the laser pulses vary greatly.
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、１００μ秒以上にレーザパルスの間隔を変化させても、その間隔に影響されることなく安定したレーザパルスを出力できるファイバレーザ光源を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a fiber laser light source capable of outputting a stable laser pulse without being affected by the interval even when the interval of the laser pulse is changed to 100 μsec or more. With the goal.
前記従来の課題を解決するために、本発明のファイバレーザ光源およびそれを用いた波長変換レーザ光源は、レーザ活性物質を含むファイバとその両端にファイバグレーティングを設けたレーザ共振器と、前記共振器の一端に励起光を入射する励起用レーザ光源と、連続パルス光を出力する際に、前記励起用レーザ光源に前記レーザ共振器がパルス発光できる第１の電流を与えた後に、前記第１の電流より小さく前記レーザ共振器の閾値電流より大きい第２の電流を与え、前記第２の電流を停止した後に休止期間を設けて次のパルス発光を行うための電流を前記励起用レーザ光源に与える駆動電流供給手段と、
から成ることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the fiber laser light source of the present invention and the wavelength conversion laser light source using the same include a fiber containing a laser active material, a laser resonator provided with fiber gratings at both ends thereof, and the resonator A pumping laser light source for injecting pumping light into one end of the laser beam and a first current that can be pulsed by the laser resonator when the continuous pulsed light is output. A second current that is smaller than the current and larger than the threshold current of the laser resonator is applied, and after the second current is stopped, a current is provided to the excitation laser light source for the next pulse emission by providing a pause period. Drive current supply means;
It is characterized by comprising.
さらに、本発明のファイバレーザ光源およびそれを用いた波長変換レーザ光源は、請求項１に記載のファイバレーザ光源と、前記ファイバレーザ光源からのレーザ光を波長変換して高調波を出力する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力される高調波の一部を検出する高調波出力検出器と、前記ファイバレーザ光源の駆動電流供給手段から励起用レーザ光源へ出力する電流タイミングを弁別するタイミング弁別手段と、前記タイミング弁別手段によって弁別された前記レーザ共振器がパルス発光するタイミングで前記高調波出力検出器からの値をパルス出力値として取り込み、その値が目標値に近づくように前記駆動電流供給手段の出力電流を調整する指示を行うパルス出力制御手段と、を備えたことを特徴とする。 Furthermore, the fiber laser light source of the present invention and a wavelength conversion laser light source using the fiber laser light source according to claim 1 and wavelength conversion for converting the wavelength of the laser light from the fiber laser light source and outputting a harmonic wave are provided. And a harmonic output detector for detecting a part of the harmonics output from the wavelength conversion element, and a timing discrimination for discriminating current timing output from the drive current supply means of the fiber laser light source to the excitation laser light source And a drive current supply so that a value from the harmonic output detector is taken as a pulse output value at a timing at which the laser resonator discriminated by the timing discriminating means emits a pulse, and the value approaches a target value. And pulse output control means for giving an instruction to adjust the output current of the means.
本発明のレーザ光源によれば、１００μ秒以上にレーザパルスの間隔を変化させても、パルス光の出力タイミングや出力が変化しない。 According to the laser light source of the present invention, the output timing and output of pulsed light do not change even if the interval between laser pulses is changed to 100 μs or more.
最初に、レーザにおけるパルス光発生の原理について説明する。図１ａに示すのはレーザ共振器の概略図であり、レーザ媒質２０２を２つのミラー２０４、２０５で挟みレーザ共振器を構成している。このレーザ共振器に、外部から励起光２１を入射して、レーザ発振した出力光２０２を得る。ファイバレーザでは、レーザ媒質２０２がドープファイバに相当し、ミラー２０４、２０５がファイバグレーティングに相当する。 First, the principle of pulse light generation in a laser will be described. FIG. 1 a is a schematic diagram of a laser resonator, in which a laser medium 202 is sandwiched between two mirrors 204 and 205 to form a laser resonator. Excitation light 21 is incident on the laser resonator from the outside, and laser-oscillated output light 202 is obtained. In the fiber laser, the laser medium 202 corresponds to a doped fiber, and the mirrors 204 and 205 correspond to a fiber grating.
このレーザ共振器に、図１ｂに示すようなステップ状に強度変調された励起光２０１をレーザ媒質２０２に入力すると、レーザ媒質内では図１ｃに示すように時間とともに内部エネルギーが増加する。レーザ媒質がレーザ発振していなければ、内部エネルギーはレーザ共振器のレーザ発振閾値を超えて過飽和状態となる。この過飽和状態でレーザ発振が始まると蓄積されたエネルギーが一度に放出されるため、図１ｄに示すようにパルス出力が発生する。これが利得スイッチによるパルス発光の原理である。利得スイッチにおいては、励起の開始時間からパルス発生までにエネルギー蓄積の時間ｔ１を必要とする。ここではｔ１を遅延時間と呼ぶ。このような利得スイッチを利用したファイバレーザを用いることで、簡単な構成でレーザパルスを発生できる。 When excitation light 201 whose intensity is modulated in steps as shown in FIG. 1b is input to the laser medium 202 to the laser resonator, the internal energy increases with time in the laser medium as shown in FIG. 1c. If the laser medium does not oscillate, the internal energy exceeds the laser oscillation threshold of the laser resonator and becomes supersaturated. When laser oscillation starts in this supersaturated state, the accumulated energy is released at a time, so that a pulse output is generated as shown in FIG. 1d. This is the principle of pulse emission by a gain switch. In the gain switch, an energy storage time t1 is required from the excitation start time to the pulse generation. Here, t1 is called a delay time. By using a fiber laser using such a gain switch, a laser pulse can be generated with a simple configuration.
ところが、利得スイッチをファイバレーザに用いて連続パルス発光を行うと、従来知られていなかった２つの問題が明らかになった。第１の問題は、ファーストパルスの問題である。パルス間隔を広げていくに伴い、パルス発振開始時のファーストパルス出力が極端に低下するという現象である。このファーストパルスの出力変動は、固体レーザにおいても見られる。しかし、この場合は、ファーストパルスの出力が増大するので、ファイバレーザの現象とは明らかに発生メカニズムが異なる。第２の問題は、パルス間隔が変化すると、励起光とファーストパルス出力との遅延時間ｔ１が変化する現象である。この遅延時間が変化すると、パルス光の出力タイミングが変化する。これは、固体レーザでは見られない現象である。 However, when a continuous pulse emission is performed using a gain switch as a fiber laser, two problems that have not been known in the past have been clarified. The first problem is the first pulse problem. As the pulse interval is increased, the first pulse output at the start of pulse oscillation is extremely reduced. This output fluctuation of the first pulse is also observed in the solid-state laser. However, in this case, since the output of the first pulse increases, the generation mechanism is clearly different from the phenomenon of the fiber laser. The second problem is a phenomenon in which the delay time t1 between the excitation light and the first pulse output changes when the pulse interval changes. When this delay time changes, the output timing of the pulsed light changes. This is a phenomenon that cannot be seen with a solid-state laser.
ファイバレーザが固体レーザと異なる点は、共振器長が非常に長い点である。固体レーザの共振器長は最大でも１ｍ程度であり、一般には数１０ｃｍ程度のものが使用されている。これに対して、ファイバレーザの共振器長は１０ｍ以上なので、固体レーザに比べて共振器内部に蓄積されたエネルギーがレーザの発生に与える影響が異なる。 The difference between a fiber laser and a solid-state laser is that the resonator length is very long. The cavity length of the solid-state laser is about 1 m at the maximum, and generally about several tens of centimeters is used. On the other hand, since the resonator length of the fiber laser is 10 m or more, the influence of the energy accumulated in the resonator on the generation of the laser is different from that of the solid laser.
このメカニズムを、図２を用いて説明する。図２は、ファイバレーザ共振器内部における蓄積されたエネルギーの分布を示したものである。横軸は距離で、共振器の入射部から出射部までの位置を示す。縦軸は共振器内に蓄積される反転分布のエネルギーである。励起光の矢印は入射部側から共振器内に励起光が入力している状態を示し、パルス光の矢印はパルスレーザが発生している状態を示している。 This mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the distribution of accumulated energy inside the fiber laser resonator. The horizontal axis is distance, and indicates the position from the incident part to the emission part of the resonator. The vertical axis represents the energy of inversion distribution accumulated in the resonator. The arrow of the pumping light indicates a state in which the pumping light is input into the resonator from the incident part side, and the arrow of the pulsed light indicates a state in which a pulse laser is generated.
さて、図２ａに示すように、励起光が入射部に入力されるとファイバ共振器内部でエネルギーが蓄積される。ファイバ共振器の励起光吸収係数が高いので、ファイバ内部で励起光が減衰し、蓄積エネルギーも入射側から出射側に向かって減少する。さらに励起光を送り続けると、蓄積エネルギーがファイバ共振器の閾値を超えるため、パルス光が発生する（図２ｂ）。このパルス発光は、ファイバ共振器がレーザ発振状態になるために生じる。このとき、励起光や出力するパルス光がファイバ共振器内部を伝搬するため、エネルギー分布がファイバ共振器全体に広がる（図２ｃ）。すなわち、レーザ発振によってファイバ共振器内部に蓄積されたエネルギー分布が変化する。 Now, as shown in FIG. 2a, energy is accumulated inside the fiber resonator when the excitation light is input to the incident portion. Since the excitation light absorption coefficient of the fiber resonator is high, the excitation light attenuates inside the fiber, and the stored energy also decreases from the incident side toward the emission side. If pump light is further sent, the stored energy exceeds the threshold value of the fiber resonator, and pulse light is generated (FIG. 2b). This pulse emission occurs because the fiber resonator enters a laser oscillation state. At this time, since the excitation light and the output pulse light propagate through the fiber resonator, the energy distribution spreads over the entire fiber resonator (FIG. 2c). That is, the energy distribution accumulated in the fiber resonator is changed by laser oscillation.
このようにして最初のパルスが出力されるが、この後にパルスを出力する場合は、ファイバレーザ特有の問題が生じる。その説明を、パルス発生直後に再びパルス励起を始めた場合とパルス発生後しばらく時間を置いてパルス励起を始めた場合とに分けて説明する。 In this way, the first pulse is output, but if a pulse is output after this, a problem peculiar to the fiber laser occurs. The description will be divided into a case where pulse excitation is started again immediately after pulse generation and a case where pulse excitation is started after a while after pulse generation.
パルス発生直後に再びパルス励起を始めたときのメカニズムを図２ｄ〜ｅに示す。パルス発振が停止後、再び励起光を入力すると先のパルス発振によって蓄積されたエネルギーに加えて励起エネルギーが再び蓄積される（図２ｄ）。さらに励起光を入力するとファイバ共振器の閾値を超えた時点でパルス光が発生する（図２ｅ）。このパルス光の出力は、先に発生したパルス光よりも大きい。この理由は、直前のパルス発振で蓄積されたエネルギーが残っている間に励起光が入力されるので、残留したエネルギーが励起光によるエネルギーに加算されるからである。 The mechanism when the pulse excitation is started again immediately after the generation of the pulse is shown in FIGS. When the excitation light is input again after the pulse oscillation stops, the excitation energy is accumulated again in addition to the energy accumulated by the previous pulse oscillation (FIG. 2d). When pump light is further input, pulsed light is generated when the threshold value of the fiber resonator is exceeded (FIG. 2e). The output of this pulsed light is greater than that of the previously generated pulsed light. This is because the excitation light is input while the energy accumulated by the previous pulse oscillation remains, so that the remaining energy is added to the energy of the excitation light.
次に、パルス発生後しばらく時間を置いてパルス励起を始めたときのメカニズムを図２ｄ’、ｅ’に示す。パルス発生後にしばらく立ってからパルス励起を始めた場合では、パルス発生直後に再びパルス励起を始めたときと比べ、ファイバ共振器内部に蓄積されたエネルギーが少なくなる（図２ｄ’）。これは、先のパルス発振でファイバ共振器内部に蓄積されたエネルギーは、時間と共に熱や自然発光となって失われていくからである。励起光に加算されるエネルギーがパルス間隔の間に減少するためパルス出力が小さくなる（図２ｅ’）。以上がパルス間隔によって出力するパルス光の出力が変動するメカニズムである。 Next, FIGS. 2 d ′ and e ′ show the mechanism when the pulse excitation is started after a while after the generation of the pulse. When pulse excitation is started after standing for a while after the pulse is generated, energy stored in the fiber resonator is reduced compared to when pulse excitation is started again immediately after the pulse is generated (FIG. 2d '). This is because the energy accumulated in the fiber resonator by the previous pulse oscillation is lost as heat and spontaneous emission with time. Since the energy added to the excitation light decreases during the pulse interval, the pulse output becomes small (FIG. 2e '). The above is the mechanism in which the output of the pulsed light output varies depending on the pulse interval.
次に、第２の問題である、パルス間隔により出力タイミングが変化するメカニズムを説明する。パルス間隔による遅延時間の変化も、第１の問題と同様に残留エネルギーに起因する。ここでは、パルス励起の開始からパルスが発生するまでの時間を遅延時間と呼ぶ。遅延時間はパルス励起により蓄積されるエネルギーがパルス発生の閾値に達するまでに要する時間である。先に説明したように、パルス間隔が広くなるに従い、ファイバ共振器内部に蓄積された内部エネルギーは低下する。内部エネルギーが低下すると、パルス発生に必要な励起エネルギー量が増大するため、励起時間が長くなり遅延時間が増加する。 Next, a mechanism that changes the output timing depending on the pulse interval, which is the second problem, will be described. The change of the delay time due to the pulse interval is also caused by the residual energy as in the first problem. Here, the time from the start of pulse excitation to the generation of a pulse is called a delay time. The delay time is the time required for the energy accumulated by pulse excitation to reach the pulse generation threshold. As described above, as the pulse interval becomes wider, the internal energy accumulated in the fiber resonator decreases. When the internal energy is reduced, the amount of excitation energy required for pulse generation increases, so that the excitation time becomes longer and the delay time increases.
以上が、利得スイッチをファイバレーザに用いて連続パルス発光を行う際に生じる問題の発生メカニズムである。 The above is the mechanism of occurrence of problems that occur when continuous-pulse light emission is performed using a gain switch for a fiber laser.
次に、本発明のレーザ光源の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Next, embodiments of the laser light source of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（実施の形態１）
図３は、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ光源の構成図を示す。ファイバレーザ光源１０１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ１０３の両端にＦＢＧ１０４、１０５を融着接続することでファイバ共振器をとした。本実施の形態で用いたＹｂ添加ダブルクラッドファイバ１０３のコア径は６μｍ、長さ１０ｍ〜２０ｍ程度とした。励起用レーザ光源には波長９１５ｎｍの半導体レーザ１０２を用い、ファイバ共振器の片方のＦＢＧ１０３に励起光が入力できるように配置した。励起光を入力することにより、ファイバ共振器内で共振して波長１０００ｎｍ〜１１００ｎｍのレーザ出力光が発生する。このレーザ出力を波長変換素子１０５に導けば、波長変換された短波長光が波長変換素子１０５より出力される。共振波長はＦＢＧの反射波長で選択すれば良い。本実施の形態では、波長１０６４ｎｍのレーザ出力光を発生できるＦＢＧの反射波長を選んだ。このファイバ共振器からレーザ出力の発生は、励起用レーザ光源１０１に接続された駆動電源１１０により行われる。
(Embodiment 1)
FIG. 3 shows a block diagram of the laser light source in the first embodiment of the present invention. The fiber laser light source 101 is formed as a fiber resonator by fusion-bonding FBGs 104 and 105 to both ends of a Yb-doped double clad fiber 103. The Yb-doped double clad fiber 103 used in the present embodiment has a core diameter of 6 μm and a length of about 10 to 20 m. A semiconductor laser 102 having a wavelength of 915 nm was used as a pumping laser light source, and was arranged so that pumping light could be input to one FBG 103 of the fiber resonator. By inputting excitation light, laser output light having a wavelength of 1000 nm to 1100 nm is generated by resonating in the fiber resonator. When this laser output is guided to the wavelength conversion element 105, the wavelength-converted short wavelength light is output from the wavelength conversion element 105. The resonance wavelength may be selected by the reflection wavelength of the FBG. In this embodiment, an FBG reflection wavelength capable of generating laser output light having a wavelength of 1064 nm is selected. Generation of a laser output from the fiber resonator is performed by a driving power source 110 connected to the excitation laser light source 101.
本発明の特徴は、励起用レーザ光源１０１を駆動する電流の与え方にある。図４ａに、励起用レーザ光源に印加する電流波形を示す。まず、第１の電流（パルス励起電流）でレーザパルス発振を行い（パルス励起工程）、その後、第２の電流（予備励起電流）を流して連続発光を行った後（予備励起工程）、発光を休止する（発光停止工程）からなる。この発光停止工程の後、次のレーザパルス発振のための第３の電流を流す、というサイクルを繰り返して、連続パルス発振を行うことに特徴がある。 A feature of the present invention resides in how to supply a current for driving the excitation laser light source 101. FIG. 4a shows a current waveform applied to the excitation laser light source. First, laser pulse oscillation is performed with a first current (pulse excitation current) (pulse excitation process), and then a second current (preliminary excitation current) is supplied to perform continuous light emission (preliminary excitation process), followed by light emission. Is stopped (light emission stop step). After this light emission stop process, the feature is that continuous pulse oscillation is performed by repeating a cycle of flowing a third current for the next laser pulse oscillation.
本実施の形態では、レーザパルス発振のための電流を等しくして連続発射する場合、すなわち一定のパルス出力で連続的に発光させる場合を例に取り説明する。 In this embodiment, a case where continuous emission is performed with the same current for laser pulse oscillation, that is, a case where light is continuously emitted with a constant pulse output will be described as an example.
このときファイバレーザから出力する光の強度を図４ｂに示す。パルス励起工程による第１の電流が流れた後、時間遅延してパルス光が出力する。予備発光工程での第２の電流は、ファイバレーザを低出力で連続発光させるために、ファイバレーザの閾値電流以上の電流を印加する。発光停止工程は利得スイッチを行うために、ファイバレーザ共振器内部のレーザ発振を止める工程である。発光停止工程では、印加電流をゼロまたは励起用レーザ光源１０１の閾値電流以下にする。このようにして、パルス励起工程の間に予備発光工程と発光停止工程とを設けることで、励起光の間隔を変化させても、安定した連続パルス出力が得られる。 The intensity of light output from the fiber laser at this time is shown in FIG. 4b. After the first current by the pulse excitation process flows, pulse light is output with a time delay. The second current in the preliminary light emission process applies a current equal to or higher than the threshold current of the fiber laser in order to cause the fiber laser to emit light continuously at a low output. The light emission stopping process is a process of stopping laser oscillation inside the fiber laser resonator in order to perform gain switching. In the emission stop process, the applied current is set to zero or less than the threshold current of the excitation laser light source 101. Thus, by providing the preliminary light emission step and the light emission stop step between the pulse excitation steps, a stable continuous pulse output can be obtained even if the interval of the excitation light is changed.
図２で説明したように、ファイバレーザでは共振器長が長いので、パルス発光により内部にエネルギーが分布して蓄積されている。このエネルギー量が、パルス出力、パルス間隔で変化し、パルス特性に影響する。この問題を解決するのが、予備励起工程である。発明者は、パルス発光した後のファイバ共振器を低出力で連続発光をさせると、パルス発光により蓄積されたエネルギーの量をほぼ一定に保つことができることを見出した。そこで連続パルス発光を行うためのパルス励起電流の間に、ファイバ共振器内に低出力の連続発光をさせる予備励起工程を設けることにした。この予備励起工程により、パルス発光後のファイバ共振器内に蓄えられるエネルギー量は、時間が経過しても一定に保つことが出来る。 As described with reference to FIG. 2, the fiber laser has a long resonator length, so that energy is distributed and accumulated therein by pulsed light emission. This amount of energy changes depending on the pulse output and pulse interval, and affects the pulse characteristics. The pre-excitation process solves this problem. The inventor has found that the amount of energy accumulated by the pulse emission can be kept substantially constant when the fiber resonator after the pulse emission emits light continuously at a low output. In view of this, a pre-excitation process for continuously emitting low-power light within the fiber resonator is provided between pulse excitation currents for continuous pulse emission. By this preliminary excitation process, the amount of energy stored in the fiber resonator after pulse emission can be kept constant over time.
次に、ファイバ共振器に利得スイッチを適用してパルス発光させるためには、パルス励起電流を投入する直前に、ファイバ共振器内部のエネルギー振動を安静な状態にする必要がある。そのためには、低出力でのレーザ発振を止め、共振器内部の緩和振動が完全に消滅する期間、励起用レーザ光源１０１の駆動電流を止めなければならない。すなわち、予備励起工程の後には、発光停止工程が必要となる。 Next, in order to apply a gain switch to the fiber resonator to cause pulsed light emission, it is necessary to bring the energy oscillation inside the fiber resonator to a quiet state immediately before supplying the pulse excitation current. For this purpose, it is necessary to stop laser oscillation at a low output, and to stop the drive current of the excitation laser light source 101 during a period in which the relaxation oscillation inside the resonator is completely extinguished. That is, after the preliminary excitation process, a light emission stop process is required.
ここで、励起用レーザ光源１０１の駆動電流を止めると、ファイバ共振器内部の蓄積エネルギー量は、急速に低下すると思われる。そうすると、次のパルス励起工程によるパルス出力は低下することになる。ところが予想に反して、予備励起工程で蓄積されたエネルギーが有限の時間に渡り、一定の値を保つ現象を発明者は見出した。発明者が行った実験では、その時間は１００μ秒程度だった。これは、ファイバ共振器長により変化するものと思われる。すなわち、発光停止工程の時間を制限することで、次のパルス励起工程によるパルス出力は、先のパルス出力と同等のものが得られる。この発光停止工程の時間は、共振器内部の緩和振動が消滅する時間よりも長く、また予備励起工程で蓄積されたエネルギーが低下しない時間の間に設定すれば良い。 Here, when the drive current of the excitation laser light source 101 is stopped, the amount of energy stored in the fiber resonator is considered to decrease rapidly. If it does so, the pulse output by the following pulse excitation process will fall. However, contrary to expectation, the inventors have found a phenomenon in which the energy accumulated in the preliminary excitation process maintains a constant value over a finite time. In the experiment conducted by the inventor, the time was about 100 μsec. This seems to vary with the fiber resonator length. That is, by limiting the time of the light emission stop process, the pulse output in the next pulse excitation process is equivalent to the previous pulse output. The time for the light emission stop process may be set longer than the time for the relaxation oscillation in the resonator to disappear and the time during which the energy accumulated in the preliminary excitation process does not decrease.
また、予備励起工程では、ファイバ共振器を低出力で連続発光させるが、その際に与える励起エネルギーの値も重要である。この連続発光を安定して継続できる励起エネルギーを与えないと、後述するように出力タイミングが変化するためである。 In the preliminary excitation process, the fiber resonator continuously emits light at a low output, and the value of the excitation energy given at that time is also important. This is because the output timing changes as will be described later unless excitation energy capable of continuing this continuous light emission stably is given.
以下に、本発明のパルス光源における駆動方法を各工程に分けて詳細に説明する。 Hereinafter, the driving method of the pulse light source of the present invention will be described in detail for each process.
（パルス励起工程）
パルス励起工程は、図４に示すように、パルスを発光させる工程である。一定の発光停止工程の後に、パルス励起を行うことでパルス光が発生する。この工程では図１で説明したように、内部エネルギーを過飽和状態にし、蓄積されたエネルギーを一気に放出することでパルスを発生する。パルス励起工程の開始からパルス発生までの遅延時間は、図１（ｃ）の遅延時間ｔ１で示した時間であり、パルス励起のエネルギーがパルス発生の閾値に達するまでの時間である。また出力するパルス出力、パルス幅、遅延時間はパルス励起電流に依存する。
(Pulse excitation process)
The pulse excitation step is a step of emitting a pulse as shown in FIG. Pulse light is generated by performing pulse excitation after a certain light emission stop process. In this step, as described with reference to FIG. 1, the internal energy is brought into a supersaturated state, and pulses are generated by discharging the accumulated energy at a stroke. The delay time from the start of the pulse excitation process to the pulse generation is the time indicated by the delay time t1 in FIG. 1C, and is the time until the pulse excitation energy reaches the pulse generation threshold. The output pulse output, pulse width, and delay time depend on the pulse excitation current.
（予備励起工程）
予備励起工程では、前述したように連続光を発生することでレーザ活性媒質へエネルギーを蓄積する工程である。予備励起に必要なのは、安定した連続光の発振であり、このための入力強度（予備励起入力）が有る値以上であれば、入力強度によらずパルス励起工程でのパルス発光出力は変化しない。しかし、この予備励起入力が低いと、パルス励起工程でのパルス発光に影響を与える。これを、図５を利用して説明する。図５は予備励起工程における励起用レーザ光源の出力とパルス励起工程でのパルス出力バラツキの関係を示したものである。縦軸はパルス励起工程での相対的なパルス出力バラツキであり、数字０は発光しない状態を示し、数字１００は、目標のパルス出力を示す。矢印の長さは、その間のいずれかのパルス出力が発生することを表す。
(Preliminary excitation process)
In the preliminary excitation step, energy is accumulated in the laser active medium by generating continuous light as described above. What is necessary for the preliminary excitation is stable continuous light oscillation. If the input intensity (preliminary excitation input) for this purpose is equal to or greater than a certain value, the pulse emission output in the pulse excitation process does not change regardless of the input intensity. However, if the preliminary excitation input is low, the pulse emission in the pulse excitation process is affected. This will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the relationship between the output of the excitation laser light source in the preliminary excitation process and the pulse output variation in the pulse excitation process. The vertical axis represents relative pulse output variation in the pulse excitation process. The numeral 0 indicates a state in which no light is emitted, and the numeral 100 indicates a target pulse output. The length of the arrow indicates that any pulse output in between occurs.
図５において、ファイバ共振器がレーザ発振する閾値以下で予備励起入力を与えると、パルス励起工程でのパルス出力が大きくばらつく。この閾値を超えると徐々にパルス出力のバラツキが減る。予備励起入力が約２Ｗを超えると、バラツキが見られず、その後は予備励起入力の値によらず、一定のパルス出力が得られた。これは閾値近傍ではレーザ発振が不安定な状態で、エネルギー蓄積が不十分になるためと考えられる。 In FIG. 5, when the preliminary excitation input is given below the threshold value at which the fiber resonator oscillates, the pulse output in the pulse excitation process varies greatly. When this threshold value is exceeded, the variation in pulse output gradually decreases. When the preliminary excitation input exceeded about 2 W, no variation was observed, and thereafter, a constant pulse output was obtained regardless of the value of the preliminary excitation input. This is presumably because the laser oscillation is unstable in the vicinity of the threshold, and the energy accumulation becomes insufficient.
そのため、予備励起工程では、安定なレーザ発振が得られる予備励起入力が必要となる。一方、予備励起のパワーは２Ｗを超える値で可変しても、パルス出力と遅延時間とは変化しなかった。この結果よりレーザ発振により蓄えられるエネルギーは励起パワー２Ｗ程度で飽和すると考えられる。以上の結果、予備励起パワーは２Ｗ程度以上の励起光強度が望ましい。 For this reason, in the preliminary pumping process, a preliminary pumping input capable of obtaining stable laser oscillation is required. On the other hand, the pulse output and the delay time did not change even when the pre-excitation power was varied at a value exceeding 2 W. From this result, it is considered that the energy stored by laser oscillation is saturated at an excitation power of about 2 W. As a result, the preliminary excitation power is preferably about 2 W or more.
また、パルス励起工程と予備励起工程とは、時間を空けずに連続して行うほうが良い。図６に、パルス励起工程と予備励起工程との間に休止時間を設けた場合を示す。図６ａはファイバレーザ出力、図６ｂは駆動電流波形を示す。休止時間を設けると、図６ａに示すように、予備励起開始時にパルス光（サブパルス）が発生する。このサブパルスの出力は不安定であるので、精密加工に用いる場合には、パルス励起工程により生じるパルス光のみが望まれる。 Moreover, it is better to perform a pulse excitation process and a preliminary | backup excitation process continuously, without leaving time. FIG. 6 shows a case where a pause time is provided between the pulse excitation process and the preliminary excitation process. 6a shows the fiber laser output, and FIG. 6b shows the drive current waveform. When a pause time is provided, pulse light (sub-pulse) is generated at the start of preliminary excitation, as shown in FIG. 6a. Since the output of this sub-pulse is unstable, only pulsed light generated by the pulse excitation process is desired when used for precision machining.
本実施例における、この発光停止時間とサブパルスの出力の関係を実験により求め、その結果を図７に示す。図から明らかなように、休止期間を１μ秒以下にすることでサブパルスの発生は抑えられる。従って、パルス励起工程と予備励起工程との間は、１μ秒以下にすることが好ましい。 The relationship between the light emission stop time and the output of the subpulse in this example is obtained by experiment, and the result is shown in FIG. As is apparent from the figure, the generation of subpulses can be suppressed by setting the pause period to 1 μsec or less. Therefore, it is preferable that the time between the pulse excitation step and the preliminary excitation step be 1 μsec or less.
（発光停止工程）
次のパルス励起工程の直前には、共振器内部のレーザ発振や緩和振動の無い状態、すなわち内部エネルギー変動の無い状態が一定時間以上必要である。このため、発光停止工程が必要になる。これを、図８を用いて説明する。図８ａは、発光停止時間が設けられていない場合のパルス出力を表す。図８ｂは、そのときの駆動電流である。発光停止時間を設けなければ、図８ａに示すようにパルス出力は大幅に低下してしまう。これは、発光停止時間がないため共振器内部で内部エネルギー分布が変動する不安定な状態となり、次のパルス発生のための過飽和なエネルギー蓄積が生じないためである。発光停止時間を設けると、レーザ発振を行わない安定な状態になるため、レーザ発振閾値を超えた過飽和なエネルギー蓄積が可能となり、パルスが発生する。なお、発光停止時間は、緩和振動を抑えるのに十分な時間が必要であり、かつレーザ発振に伴う蓄積エネルギーを失わない時間以内の範囲で決める必要がある。
(Light emission stop process)
Immediately before the next pulse excitation process, a state without laser oscillation or relaxation oscillation inside the resonator, that is, a state without internal energy fluctuation, is required for a certain time or more. For this reason, a light emission stop process is required. This will be described with reference to FIG. FIG. 8a shows the pulse output when the light emission stop time is not provided. FIG. 8b shows the drive current at that time. If the light emission stop time is not provided, the pulse output is significantly reduced as shown in FIG. 8a. This is because since there is no light emission stop time, an unstable state in which the internal energy distribution fluctuates inside the resonator and supersaturated energy accumulation for the next pulse generation does not occur. When the emission stop time is provided, a stable state in which laser oscillation is not performed is obtained, so that supersaturated energy accumulation exceeding the laser oscillation threshold is possible, and a pulse is generated. Note that the light emission stop time needs to be long enough to suppress the relaxation oscillation and be determined within a time range within which the stored energy associated with laser oscillation is not lost.
具体的な値として、本実施例での発光停止時間とパルス励起工程でのパルス出力の関係を図９に示す。図９は発光停止時間とパルス出力の関係を示した物である。用いたファイバはコア径６μｍのＹｂドープファイバ、共振器長は１６ｍ、励起光は９１５ｎｍの半導体レーザである。発光停止時間が１５μ秒に満たないと、パルス出力が低下する。これは、緩和振動が十分収まらず、過飽和状態が阻害されるためである。本実施例での利得スイッチによるパルス発生には、共振器内でのレーザ発振が完全に収まった状態が必要であり、このための時間として１５μ秒程度の時間が必要と考えられる。 As specific values, FIG. 9 shows the relationship between the light emission stop time in this embodiment and the pulse output in the pulse excitation process. FIG. 9 shows the relationship between the light emission stop time and the pulse output. The fiber used was a Yb-doped fiber with a core diameter of 6 μm, a resonator length of 16 m, and a pumping light of 915 nm semiconductor laser. If the light emission stop time is less than 15 μs, the pulse output decreases. This is because the relaxation oscillation is not sufficiently settled and the supersaturated state is inhibited. In the present embodiment, the pulse generation by the gain switch requires a state in which the laser oscillation in the resonator is completely contained, and it is considered that a time of about 15 μsec is necessary for this.
一方、発光停止時間が６０μ秒を超えるとパルス出力が再び低下する。さらに２３０μ秒を超えるとパルス出力は急激に低下する。これは、予備励起入力により蓄積されたエネルギーの保持時間の上限が２３０μ秒程度であることを示している。この上限を超えると蓄積エネルギーの損失が大きくなりパルス出力が低下する。さらにパルス出力が変動しない非常に安定な状態が１５〜６０μ秒の間に存在することも分かった。従って、本実施例でのファイバ共振器であれば、発光停止時間は図９のＡの範囲である１５μ秒以上、６０μ秒以下に設定するのがさらに好ましい。この範囲であれば発光停止時間によってパルス出力はほとんど変化せず、安定な出力特性が得られる。 On the other hand, when the emission stop time exceeds 60 μs, the pulse output decreases again. Furthermore, if it exceeds 230 microseconds, a pulse output will fall rapidly. This indicates that the upper limit of the holding time of the energy accumulated by the preliminary excitation input is about 230 μsec. When this upper limit is exceeded, the loss of stored energy increases and the pulse output decreases. It was further found that a very stable state in which the pulse output does not fluctuate exists between 15 and 60 μs. Therefore, in the case of the fiber resonator according to the present embodiment, it is more preferable that the light emission stop time is set to 15 μsec or more and 60 μsec or less which is the range of A in FIG. Within this range, the pulse output hardly changes depending on the light emission stop time, and stable output characteristics can be obtained.
発光停止状態は、蓄積されたエネルギーの損失がパルス光発生に影響しない程度であり、かつ次のパルス発光が可能な静止状態を創り出すための長さが要求される。２３０μ秒を超えると蓄積エネルギー損失が大きくなり、１５μ秒より短くなると共振器の過飽和状態が阻害される。 The light emission stop state is such that the stored energy loss does not affect the generation of pulsed light, and a length is required to create a stationary state in which the next pulse light emission is possible. When 230 μs is exceeded, the stored energy loss increases, and when it is shorter than 15 μs, the supersaturated state of the resonator is inhibited.
この発光停止時間は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバの構造にも依存する。本実施例では、コア径６μｍ、長さ１０〜２０ｍのファイバである。また、励起光の波長は９１５ｎｍ近傍、出力光の波長が１０６４ｎｍ近傍のものを用いた。ファイバレーザのコア径を１０μｍ程度まで大きくし、ＦＢＧの反射率など共振器の設計を調整すると、発光停止時間の最小値は５μ秒程度まで短くすることができる。共振器構造を最適化することでパルス出力が変化しない安定な発光停止時間を５μ秒〜８０μ秒にすることも可能である。発光停止時間を短くすることでパルスの繰り返し周波数の最大値を高くすることが可能になる。 This emission stop time also depends on the structure of the Yb-doped double clad fiber. In this embodiment, the fiber has a core diameter of 6 μm and a length of 10 to 20 m. Further, the pumping light having a wavelength of about 915 nm and the output light having a wavelength of about 1064 nm were used. When the core diameter of the fiber laser is increased to about 10 μm and the design of the resonator such as the reflectance of the FBG is adjusted, the minimum value of the emission stop time can be shortened to about 5 μs. By optimizing the resonator structure, the stable light emission stop time in which the pulse output does not change can be set to 5 μs to 80 μs. By shortening the light emission stop time, the maximum value of the pulse repetition frequency can be increased.
本発明のパルス出力の改善効果を示すために、従来の方法と比較した測定結果を次に示す。本発明においては、図３にて説明したファイバレーザを用い、駆動電源１１０におけるパルス励起工程のパルス励起電流を１０Ａ、予備励起工程の予備励起電流を２Ａ、発光停止工程の停止時間を２０μ秒とした。ファイバ共振器のコア径６μｍ、共振長さは１６ｍである。また、励起用レーザ光源の波長は９１５ｎｍのものを用い、パルス間隔を１０μ秒〜１００００μ秒で可変した。このときのパルス発振時の出力光の波長は１０６４ｎｍである。一方、従来の方法では、予備励起工程と発光停止工程とを除いた他は、本発明と同一の構成とした。なお、ここでは、パルス励起電流の値は同じ、すなわち第１の電流と第３の電流を同じ電流とし、同一パルスの繰り返し発生における、パルス間隔依存性を評価した。 In order to show the improvement effect of the pulse output of the present invention, the measurement results compared with the conventional method are shown below. In the present invention, the fiber laser described with reference to FIG. 3 is used, the pulse excitation current in the pulse excitation process in the drive power supply 110 is 10 A, the preliminary excitation current in the preliminary excitation process is 2 A, and the stop time in the light emission stop process is 20 μsec. did. The fiber resonator has a core diameter of 6 μm and a resonance length of 16 m. The wavelength of the excitation laser light source was 915 nm, and the pulse interval was varied from 10 μs to 10000 μs. The wavelength of the output light at the time of pulse oscillation at this time is 1064 nm. On the other hand, the conventional method has the same configuration as that of the present invention except that the preliminary excitation step and the emission stop step are omitted. Here, the value of the pulse excitation current is the same, that is, the first current and the third current are the same current, and the pulse interval dependency in the repeated generation of the same pulse was evaluated.
図１０ａは、本発明のパルス間隔に対する出力値の関係を示し、図１０ｂは従来の方法における同様の値を示す。図から明らかなように、１５μ秒以下では、いずれの方法でもパルス出力が低下した。これはパルス間隔が十分長くないと、緩和振動が抑えられず利得スイッチによるパルス発生効率が低下するからである。さらに、従来の方法では、パルス間隔が２０μ秒を超えると徐々に出力が低下し、２００μ秒をこえると急速にパルス出力の低下が生じた。一方、本発明では、１５μ秒から１００００μ秒まで、パルス出力の低下は見られない。同様に、図１０ｃに本発明のパルス間隔に対する遅延時間の関係を示し、図１０ｄに従来の方法における同様の値を示す。パルス出力と同様に１５μ秒以下では、いずれの方法でも遅延時間がパルス間隔に依存して変化した。さらに、従来の方法では、パルス間隔が１００μ秒を超えると遅延時間が急激に増加するが、本発明では、１００００μ秒にいたるまで、遅延時間の変化は見られない。従って、本発明の予備励起工程と発光停止工程とをパルス励起工程の間に設けることで、パルス間隔によらず、安定してパルス特性を得ることができる。本発明のレーザ光源は、１５μ秒以上の任意のパルス間隔において、パルス出力、遅延時間が変化しない安定なパルス発光が可能となる。 FIG. 10a shows the relationship of the output value to the pulse interval of the present invention, and FIG. 10b shows a similar value in the conventional method. As is apparent from the figure, the pulse output decreased in any method within 15 μsec or less. This is because if the pulse interval is not sufficiently long, the relaxation oscillation cannot be suppressed and the pulse generation efficiency by the gain switch is lowered. Further, in the conventional method, when the pulse interval exceeds 20 μsec, the output gradually decreases, and when the pulse interval exceeds 200 μsec, the pulse output rapidly decreases. On the other hand, in the present invention, the pulse output does not decrease from 15 μsec to 10000 μsec. Similarly, FIG. 10c shows the relationship of the delay time to the pulse interval of the present invention, and FIG. 10d shows similar values in the conventional method. Similar to the pulse output, the delay time changed depending on the pulse interval in any method at 15 μsec or less. Further, in the conventional method, when the pulse interval exceeds 100 μsec, the delay time increases rapidly, but in the present invention, the delay time does not change until it reaches 10,000 μsec. Therefore, by providing the preliminary excitation step and the light emission stop step of the present invention between the pulse excitation steps, the pulse characteristics can be stably obtained regardless of the pulse interval. The laser light source of the present invention can perform stable pulsed light emission without changing pulse output and delay time at an arbitrary pulse interval of 15 μsec or more.
なお、本実施例では、励起用レーザ光源として波長９１５ｎｍの半導体レーザを用いたが、パルス励起用と予備励起用で異なる波長を用いる構成でも良い。例えば予備励起用の励起用レーザ光源としては波長９１５ｎｍの半導体レーザを、パルス励起用には波長９７５ｎｍの半導体レーザを用いても良い。Ｙｂドープファイバは９７５ｎｍの光に対する吸収係数が大きいので、９７５ｎｍの励起用レーザを用いることで、より高出力のパルス光発生が可能となる。この場合は、波長９７５ｎｍのファイバの吸収係数が大きいため、ファイバレーザ共振器における蓄積の分布が強くなり、パルス出力のバラツキが増大する。しかし、予備励起を９１５ｎｍの半導体レーザで行うことで、予備励起におけるエネルギー蓄積分布が小さくなる。この結果、９７５ｎｍの励起用レーザでパルス励起した場合でも、バラツキの少ない安定なパルス出力が得られる。すなわち、ファイバレーザのパルス励起には吸収係数の異なる波長でパルス励起と予備励起を行うことで高出力のパルス光を安定に得ることができる。 In this embodiment, a semiconductor laser having a wavelength of 915 nm is used as the excitation laser light source. However, different wavelengths may be used for pulse excitation and preliminary excitation. For example, a semiconductor laser having a wavelength of 915 nm may be used as the excitation laser light source for preliminary excitation, and a semiconductor laser having a wavelength of 975 nm may be used for pulse excitation. Since the Yb-doped fiber has a large absorption coefficient with respect to light of 975 nm, it is possible to generate pulsed light with higher output by using an excitation laser of 975 nm. In this case, since the absorption coefficient of the fiber having a wavelength of 975 nm is large, the distribution of accumulation in the fiber laser resonator becomes strong, and the variation in pulse output increases. However, by performing pre-excitation with a 915 nm semiconductor laser, the energy storage distribution during pre-excitation is reduced. As a result, a stable pulse output with little variation can be obtained even when pulse excitation is performed with a 975 nm excitation laser. That is, high-power pulse light can be stably obtained by performing pulse excitation and preliminary excitation at wavelengths having different absorption coefficients for pulse excitation of the fiber laser.
なお、本実施例では、ドープファイバをＹｂドープファイバで説明したが、これ以外のレーザ活性物質を含むファイバであれば良い。すなわち、レーザ活性物質としてドープされた、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなどの希土類や、これらを混合したファイバでも良い。ドープする希土類を変えることで発振波長を選択できる。また、ファイバを進行方向に複数の部分に分割し、それぞれに異なるドープ材料またはドープ濃度のファイバを接続する構成にすると、高速なパルス変調が可能となる。 In the present embodiment, the doped fiber is described as Yb-doped fiber, but any other fiber containing a laser active substance may be used. That is, rare earth such as Er, Pr, Nd, Tm, and Ho doped as a laser active material, or a fiber in which these are mixed may be used. The oscillation wavelength can be selected by changing the rare earth to be doped. In addition, if the fiber is divided into a plurality of portions in the traveling direction, and fibers having different doping materials or doping concentrations are connected to each other, high-speed pulse modulation becomes possible.
また、パルス発光用のレーザ光源を複数個用意し、励起レーザと予備発光用の励起レーザとに別々に振り分ける構成も可能である。例えば、励起用レーザを４つの半導体レーザ（ＬＤ）で構成し、低出力しか必要としない予備励起にはそのうち１つのＬＤを使って励起し、パルス発光には４つのＬＤで励起する構成も可能である。低出力動作が必要な予備励起ではＬＤの数が少ない方が低出力を安定に動作できるという利点がある。 It is also possible to prepare a plurality of laser light sources for pulsed light emission and separately distribute them to the excitation laser and the preliminary light emitting excitation laser. For example, the pumping laser can be composed of four semiconductor lasers (LDs), one of which can be used for pre-pumping that requires only a low output, and four LDs can be used for pulsed light emission. It is. In the preliminary excitation that requires a low output operation, there is an advantage that a low output can be stably operated when the number of LDs is small.
本実施例の構成では、出力したパルス光が励起用レーザに戻る可能性がある。この戻り光が励起用レーザの出力端面に戻ると、ＬＤの端面破壊が発生する。これを防止するため、励起用レーザには戻り光防止用の波長選択フィルターを備えるのが好ましい。励起用レーザの出力近傍に波長選択フィルターを儲けることで、ファイバレーザからの戻り光を抑圧できる。 In the configuration of this embodiment, the output pulsed light may return to the excitation laser. When this return light returns to the output end face of the excitation laser, the end face of the LD is destroyed. In order to prevent this, the excitation laser is preferably provided with a wavelength selection filter for preventing return light. By providing a wavelength selection filter near the output of the excitation laser, the return light from the fiber laser can be suppressed.
（実施の形態２）
実施の形態２では、遅延時間のバラツキをさらに正確に抑制する方法について説明する。そのためには、パルス励起電流を利用する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a method for more accurately suppressing variation in delay time will be described. For this purpose, a pulse excitation current is used.
遅延時間とは、実施の形態１で説明した通り、パルス励起の開始からパルスが発生するまでの時間をいう。遅延時間に影響を与えるパラメータは、パルス励起電流、予備励起電流、発光停止時間である。ここで予備励起電流は、図５で説明したように一定の値（図５であれば２Ｗ以上）を超えると遅延時間に影響しない。従って、遅延時間に影響するパラメータは、パルス励起電流と発光停止時間とになる。 The delay time refers to the time from the start of pulse excitation to the generation of a pulse, as described in the first embodiment. Parameters affecting the delay time are a pulse excitation current, a preliminary excitation current, and a light emission stop time. Here, if the pre-excitation current exceeds a certain value (2 W or more in FIG. 5) as described in FIG. 5, the delay time is not affected. Therefore, the parameters affecting the delay time are the pulse excitation current and the emission stop time.
そこで、予備励起電流が２Ｗのとき、発光停止時間と遅延時間との関係を図１１ａに、パルス励起電流と遅延時間の関係を図１１ｂに示す。パルス駆動電流は、励起用レーザとして用いた半導体レーザの定格の範囲内で駆動させた。図１１ａはパルス駆動電流を１０Ａに固定した場合の発光停止時間と遅延時間の関係である。図１１ｂは、発光停止時間を２０μ秒に固定した場合のパルス駆動電流と遅延時間の関係である。図１１ａに示すように、発光停止時間が１５μ秒以上であれば、遅延時間と発光停止時間との関係は、直線関係を示す。また、図１１ｂに示すように、パルス駆動電流が２Ａから１２Ａまでは、この変化は直線関係にある。これらの図からわかるように、パルス励起電流や発光停止時間が変化すると遅延時間も数μ秒の範囲で変化する。これが遅延時間のバラツキである。従って、予めこれらの関係を調べておき、パルス駆動電流と発光停止時間とを定めれば、より正確に遅延時間のバラツキを抑制できる。特に、任意のパルス出力に対する高精度のパルス発光タイミングを必要とする応用に本発明の構成は有効である。図１１ａ，ｂの関係に基づき、任意のパルス間隔をμ秒以下の精度で制御できる。半導体チップのマイクロマーキング等、高速に微細形状を形成する場合はμ秒程度の遅延時間のバラツキは許されないので、高精度で遅延時間を制御する必要がある。 Therefore, when the pre-excitation current is 2 W, the relationship between the emission stop time and the delay time is shown in FIG. 11a, and the relationship between the pulse excitation current and the delay time is shown in FIG. 11b. The pulse drive current was driven within the rated range of the semiconductor laser used as the excitation laser. FIG. 11a shows the relationship between the light emission stop time and the delay time when the pulse drive current is fixed at 10A. FIG. 11 b shows the relationship between the pulse drive current and the delay time when the light emission stop time is fixed at 20 μs. As shown in FIG. 11a, if the light emission stop time is 15 μsec or more, the relationship between the delay time and the light emission stop time is a linear relationship. Also, as shown in FIG. 11b, this change has a linear relationship when the pulse drive current is from 2A to 12A. As can be seen from these figures, when the pulse excitation current and the emission stop time change, the delay time also changes within a range of several microseconds. This is a variation in delay time. Therefore, if these relationships are examined in advance and the pulse drive current and the light emission stop time are determined, variations in delay time can be more accurately suppressed. In particular, the configuration of the present invention is effective for applications that require highly accurate pulse emission timing for any pulse output. Based on the relationship between FIGS. 11a and 11b, an arbitrary pulse interval can be controlled with an accuracy of less than μ seconds. When a fine shape is formed at high speed, such as micro marking on a semiconductor chip, variation in delay time of about μ seconds is not allowed, so it is necessary to control the delay time with high accuracy.
図４を用いて、具体的な遅延時間の設定方法について説明する。図４（ａ）はパルス出力の時間波形、図４（ｂ）は励起用レーザを駆動する駆動電流の時間波形である。第３の電流Ｉ３を可変する場合、電流値によって遅延時間ｔ３が変化する。このため、パルス出力に合わせてパルス間隔を設定する必要がある。 A specific delay time setting method will be described with reference to FIG. 4A shows a time waveform of the pulse output, and FIG. 4B shows a time waveform of the drive current for driving the excitation laser. When the third current I3 is varied, the delay time t3 varies depending on the current value. For this reason, it is necessary to set the pulse interval according to the pulse output.
パルス発光のタイミングを高精度で制御するファイバレーザ光源の構成を、図１２を用いて説明する。レーザ光源は、実施の形態１で示したレーザ光源の構成（図３）にパルス制御回路１２１，タイミング弁別回路１３１を追加した構成である。パルス制御回路１２１は、励起用レーザ光源１０３に駆動電流を与える駆動電源１１０に出力すべき駆動電流を指示する機能を持つ。そのために、駆動電源１１０にタイミング弁別回路１３１が接続されており、タイミング弁別回路１３１は、駆動電源１１０の駆動電流を判断して、パルス励起工程か予備励起工程かを弁別する。またタイミング弁別回路はパルス励起工程、予備励起工程、発光停止工程の開始、終了のタイミングをパルス出力制御回路１２１に指示する。タイミング弁別回路１３１は、パルス励起工程であればパルス励起タイミング信号を、また予備励起工程であれば予備励起タイミング信号をパルス出力制御回路１２１に送る。 The configuration of a fiber laser light source that controls the timing of pulsed light emission with high accuracy will be described with reference to FIG. The laser light source has a configuration in which a pulse control circuit 121 and a timing discrimination circuit 131 are added to the configuration of the laser light source shown in Embodiment 1 (FIG. 3). The pulse control circuit 121 has a function of instructing a drive current to be output to the drive power supply 110 that supplies a drive current to the excitation laser light source 103. For this purpose, a timing discriminating circuit 131 is connected to the drive power supply 110, and the timing discriminating circuit 131 discriminates between the pulse excitation process and the preliminary excitation process by judging the drive current of the drive power supply 110. The timing discriminating circuit instructs the pulse output control circuit 121 to start and end the pulse excitation process, the preliminary excitation process, and the light emission stop process. The timing discriminating circuit 131 sends a pulse excitation timing signal to the pulse output control circuit 121 if it is a pulse excitation process, and a preliminary excitation timing signal if it is a preliminary excitation process.
タイミング弁別回路１３１のパルス発光タイミングの設定方法を以下に示す。 A method for setting the pulse emission timing of the timing discriminating circuit 131 will be described below.
第１の方法は発光停止時間（ｔ１）を固定する方法である。発光停止時間（ｔ１）を固定すると遅延時間は図１１ｂに示す駆動電流のみの関数となる。予めパルス出力Ｐ３（次に出力を予定しているパルス）よりＩ３の値（次に出力を予定しているパルスの励起電流）を取得し、図１１ｂの関係を使って遅延時間（ｔ３）を算出する。予備発光を停止するタイミングに発光停止時間（ｔ１）と遅延時間（ｔ３）を加えたタイミングがパルス発光のタイミングになる。 The first method is a method of fixing the light emission stop time (t1). If the light emission stop time (t1) is fixed, the delay time is a function of only the drive current shown in FIG. 11b. The value of I3 (excitation current of the pulse scheduled to be output next) is acquired in advance from the pulse output P3 (the pulse scheduled to be output next), and the delay time (t3) is calculated using the relationship of FIG. 11b. calculate. The timing at which the light emission stop time (t1) and the delay time (t3) are added to the timing at which the preliminary light emission is stopped becomes the pulse light emission timing.
第２の方法は、パルス出力、発光停止時間をともに固定しない方法である。この場合、図１１ａ，ｂに示すように、遅延時間（ｔ３）は発光停止時間（ｔ１）とパルス駆動電流（Ｉ３）の関数となる。予めパルス出力Ｐ３（次に出力を予定しているパルス）よりＩ３の値（次に出力を予定しているパルスの励起電流）を取得し、図１１ｂの関係を使ってＩ３による遅延時間の影響を算出する。次に、発光停止時間（ｔ１）を決定し、発光停止時間による遅延時間の影響を図１１ａの関係を用いて算出する。この２つの関係より遅延時間（ｔ３）を求める。予備発光を停止するタイミングに発光停止時間（ｔ１）と遅延時間（ｔ３）を加えたタイミングがパルスを発光するタイミングになる。 The second method is a method in which neither the pulse output nor the light emission stop time is fixed. In this case, as shown in FIGS. 11a and 11b, the delay time (t3) is a function of the light emission stop time (t1) and the pulse drive current (I3). The value of I3 (excitation current of the pulse scheduled to be output next) is obtained in advance from the pulse output P3 (the pulse scheduled to be output next), and the influence of the delay time due to I3 is obtained using the relationship of FIG. 11b. Is calculated. Next, the light emission stop time (t1) is determined, and the influence of the delay time due to the light emission stop time is calculated using the relationship of FIG. 11a. The delay time (t3) is obtained from these two relationships. The timing at which the light emission stop time (t1) and the delay time (t3) are added to the timing at which the preliminary light emission is stopped is the timing at which the pulse is emitted.
第１または第２のいずれかの方法で、発光停止時間（ｔ１）と遅延時間（ｔ３）を算出し、予め取得したパルス発光タイミングとｔ１，ｔ３の関係より、予備励起を停止するタイミングを算出する。以上の方法を用いることで、任意のパルス出力に対して、パルス発光タイミングを１μ秒以下の精度で制御できる。 The light emission stop time (t1) and the delay time (t3) are calculated by either the first method or the second method, and the timing for stopping the preliminary excitation is calculated from the relationship between the pulse light emission timing acquired in advance and t1 and t3. To do. By using the above method, the pulse emission timing can be controlled with an accuracy of 1 μsec or less for any pulse output.
なお、図１１の関係は、励起用レーザ光源の波長、Ｙｂドープファイバの種類、共振器長、ＦＢＧの反射率などで変わるので、使用する共振器に合わせて予めこれらの関係を調べておく必要がある。 Note that the relationship in FIG. 11 varies depending on the wavelength of the excitation laser light source, the type of Yb-doped fiber, the resonator length, the reflectance of the FBG, etc., so it is necessary to investigate these relationships in advance according to the resonator to be used. There is.
なお、発光停止時間は、図９に示したように、パルス出力にも影響する。パルス出力を一定に保つために、発光停止時間の可変範囲は１５μ秒以上、６０μ秒以下の範囲で選択するのが好ましい。 The light emission stop time also affects the pulse output, as shown in FIG. In order to keep the pulse output constant, the variable range of the light emission stop time is preferably selected in the range of 15 μsec or more and 60 μsec or less.
（実施の形態３）
本発明の応用形態について説明する。本実施の形態では、ファイバレーザからの出力を波長変換素子により波長変換して短波長光を発生するレーザ光源を説明する。
(Embodiment 3)
An application form of the present invention will be described. In the present embodiment, a laser light source that generates short wavelength light by converting the wavelength of an output from a fiber laser by a wavelength conversion element will be described.
図１３に示すレーザ光源は、実施の形態１で示したレーザ光源の構成（図３）に、サンプリングミラー１０８、ＰＤ１０６、ＡＰＣ回路１２０、タイミング弁別回路１３０を追加した構成である。本実施例では、励起用レーザ光源として波長９１５ｎｍの半導体レーザを用い。ＦＢＧの反射波長を選択してファイバからは１０６４ｎｍのレーザ光が発生させた。この１０６４ｎｍの光をＳＨＧモジュール１０５により波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換し、その一部をサンプリングミラー１０６により分岐してＰＤ１０６により出力を検出している。 The laser light source shown in FIG. 13 has a configuration in which a sampling mirror 108, a PD 106, an APC circuit 120, and a timing discrimination circuit 130 are added to the configuration of the laser light source shown in Embodiment 1 (FIG. 3). In this embodiment, a semiconductor laser having a wavelength of 915 nm is used as an excitation laser light source. By selecting the reflection wavelength of the FBG, a 1064 nm laser beam was generated from the fiber. The 1064 nm light is converted into green light having a wavelength of 532 nm by the SHG module 105, a part of the light is branched by the sampling mirror 106, and the output is detected by the PD 106.
ここで、ＳＨＧモジュール１０５は非線形特性を持つ素子なので、基本波の波長に依存して変換効率が変化し、高調波出力は基本波の２乗に比例して増大する。この特性を利用すると、ＳＨＧ素子出力側での予備励起工程により生じる予備発光の出力強度を大幅に抑圧できる。例えば、ファイバレーザ出力側でパルス励起工程によるパルス出力が１００Ｗ、予備励起工程による予備発光の出力を１Ｗとすると、ＳＨＧ素子出力側では、それぞれ５０Ｗ、０．００５Ｗとなる。すなわち、ファイバ出力側では、予備発光の出力はパルス発光の出力に対して１／１００の割合であるが、ＳＨＧ素子出力側では、この割合が１／１００００と大幅に低下する。すなわち、ＳＨＧ素子を通すことで、予備発光出力を大幅に抑制することができる。これによって予備発光のない通常のパルス光源と同様なレーザ加工が可能となる。 Here, since the SHG module 105 is an element having non-linear characteristics, the conversion efficiency changes depending on the wavelength of the fundamental wave, and the harmonic output increases in proportion to the square of the fundamental wave. By utilizing this characteristic, the output intensity of the preliminary light emission generated by the preliminary excitation process on the SHG element output side can be significantly suppressed. For example, if the pulse output in the pulse excitation process is 100 W on the fiber laser output side and the preliminary light emission output in the preliminary excitation process is 1 W, the output is 50 W and 0.005 W on the SHG element output side, respectively. That is, on the fiber output side, the output of the preliminary light emission is 1/100 of the output of the pulse light emission, but on the SHG element output side, this ratio is significantly reduced to 1 / 10,000. That is, the preliminary light emission output can be significantly suppressed by passing the SHG element. As a result, laser processing similar to that of a normal pulse light source without preliminary light emission is possible.
次に、パルス励起工程によるパルス出力を安定化するための制御を説明する。図１２に示すファイバレーザ光源において、パルス出力制御回路１２０は、励起用レーザ光源１０３に駆動電流を与える駆動電源１１０に出力すべき駆動電流を指示する機能を持つ。そのために、駆動電源１１０にタイミング弁別回路１３０が接続されており、タイミング弁別回路１３０は、駆動電源１１０の駆動電流を判断して、パルス励起工程か予備励起工程かを弁別する。タイミング弁別回路１３０は、パルス励起工程であればパルス励起タイミング信号を、また予備励起工程であれば予備励起タイミング信号をパルス出力制御回路１２０に送る。一方、ＳＨＧモジュールからの高調波出力は、その一部がサンプリングミラー１０８を介してＰＤ１０６で検出され、高調波出力信号としてパルス出力制御回路１２０に送られる。 Next, the control for stabilizing the pulse output by the pulse excitation process will be described. In the fiber laser light source shown in FIG. 12, the pulse output control circuit 120 has a function of instructing a drive current to be output to the drive power supply 110 that supplies a drive current to the excitation laser light source 103. For this purpose, a timing discriminating circuit 130 is connected to the driving power source 110, and the timing discriminating circuit 130 judges the driving current of the driving power source 110 and discriminates between the pulse excitation process and the preliminary excitation process. The timing discriminating circuit 130 sends a pulse excitation timing signal to the pulse output control circuit 120 if it is a pulse excitation process, and a preliminary excitation timing signal if it is a preliminary excitation process. On the other hand, a part of the harmonic output from the SHG module is detected by the PD 106 via the sampling mirror 108 and sent to the pulse output control circuit 120 as a harmonic output signal.
パルス出力を安定化する第１の方法は、パルス出力制御回路１２０が、入力された高調波出力信号をタイミング弁別回路１３０からの情報に基づいて、パルス励起工程か予備励起工程かの弁別を行う。まず、パルス出力制御回路１２０は、パルス励起工程での高調波出力信号を弁別し、この高調波出力信号と予め設定された目標値とを比較し差分値を計算する。パルス出力制御回路１２０は、この差分値が最小になるように、駆動電源１１０の電流出力を調整する。これを繰り返すことで、パルス出力を目標値に近づける。この方法は、一定の遅延時間を必要とするため、リアルタイムにパルス出力を安定化させることはできないが、大きな出力変動を防止できる。この制御を行わないと徐々に出力変動が増え、２０から３０％程度の出力変動が生じたが、この方法によって±１０％程度の出力変動に抑えることが出来た。 In the first method of stabilizing the pulse output, the pulse output control circuit 120 discriminates between the pulse excitation step and the preliminary excitation step based on the input harmonic output signal based on information from the timing discrimination circuit 130. . First, the pulse output control circuit 120 discriminates the harmonic output signal in the pulse excitation process, compares the harmonic output signal with a preset target value, and calculates a difference value. The pulse output control circuit 120 adjusts the current output of the drive power supply 110 so that the difference value is minimized. By repeating this, the pulse output is brought close to the target value. Since this method requires a certain delay time, the pulse output cannot be stabilized in real time, but a large output fluctuation can be prevented. Without this control, the output fluctuation gradually increased and an output fluctuation of about 20 to 30% occurred. However, this method could suppress the output fluctuation to about ± 10%.
この出力変動は、予備励起工程での高調波出力信号を用いると、さらに低減出来る。それは、利得スイッチによるパルス発生では、共振器内部に蓄積されたエネルギーでパルス出力が決るので、パルス励起工程が始まるとパルス出力の制御が出来ない。そのため、パルス励起工程での高調波出力信号だけでは、出力変動を十分に小さくすることが出来ない。ところが、予備発光は連続光なので、ＰＤ出力をフィードバックしリアルタイムで目標出力に調整できる。従って、予備励起工程での高調波出力信号を用いると出力変動をより小さくすることが出来る。 This output fluctuation can be further reduced by using the harmonic output signal in the preliminary excitation process. In the pulse generation by the gain switch, the pulse output is determined by the energy accumulated in the resonator, so that the pulse output cannot be controlled when the pulse excitation process starts. For this reason, the output fluctuation cannot be sufficiently reduced only by the harmonic output signal in the pulse excitation process. However, since the preliminary light emission is continuous light, the PD output can be fed back and adjusted to the target output in real time. Therefore, the output fluctuation can be further reduced by using the harmonic output signal in the preliminary excitation process.
パルス出力制御回路１２０は、予備励起工程での高調波出力信号を弁別し、この高調波出力信号と予め設定された目標値とを比較し差分値を計算する。パルス出力制御回路１２０は、この差分値が最小になるように、駆動電源１１０の電流出力を調整する。その後、パルス励起工程での高調波出力信号と予備励起工程での高調波出力信号との比を基に変換効率を決定する。この変換効率を基に所望の高調波出力に必要なパルス励起電流を決定し、所望のパルス出力をえる。このように、予備励起工程での高調波出力信号を利用することで、より安定なＡＰＣ制御が可能となり、出力変動を±５％程度まで低減することが可能になる。 The pulse output control circuit 120 discriminates the harmonic output signal in the preliminary excitation process, compares the harmonic output signal with a preset target value, and calculates a difference value. The pulse output control circuit 120 adjusts the current output of the drive power supply 110 so that the difference value is minimized. Thereafter, the conversion efficiency is determined based on the ratio between the harmonic output signal in the pulse excitation process and the harmonic output signal in the preliminary excitation process. Based on this conversion efficiency, a pulse excitation current required for a desired harmonic output is determined, and a desired pulse output is obtained. Thus, by using the harmonic output signal in the preliminary excitation step, more stable APC control can be performed, and output fluctuation can be reduced to about ± 5%.
前述したように予備発光工程での出力は一定の値を超えれば、次のパルス発光に与える影響はほとんどない。このため、パルス発光への影響を気にすることなく予備発光出力の調整が可能となる。 As described above, if the output in the preliminary light emission process exceeds a certain value, there is almost no influence on the next pulse light emission. For this reason, the preliminary light emission output can be adjusted without worrying about the influence on the pulse light emission.
なお、本実施の形態では予備発光時のＳＨＧモジュールからの変換光を検出してＡＰＣ制御を行ったが、予備発光時のファイバレーザからの基本波出力を検出してＡＰＣ制御を行うことも可能である。 In this embodiment, the APC control is performed by detecting the converted light from the SHG module at the time of preliminary light emission. However, it is also possible to perform the APC control by detecting the fundamental wave output from the fiber laser at the time of preliminary light emission. It is.
このＳＨＧモジュールには、例えばＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3、およびこの材料に分極反転構造を形成したものを使用することができ、他のリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ4：ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ3など、およびこれらの材料に分極反転構造を形成したものを使用してもよい。 また、分極反転構造を有する非線形光学結晶、例えばＭｇ：ＬｉＮｂＯ3（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、Ｍｇ：ＬｉＴａＯ3（コングルエント組成・ストイキオメトリー組成）、ＫＴＰで特に効果を発揮することができる。 For this SHG module, for example, MgO: LiNbO 3 , and a material in which a polarization inversion structure is formed on this material can be used, other titanyl potassium phosphate (KTiOPO 4 : KTP), Mg: LiTaO 3 , and the like, and You may use what formed the polarization inversion structure in these materials. In addition, it is particularly effective for nonlinear optical crystals having a domain-inverted structure, such as Mg: LiNbO 3 (congruent composition / stoichiometric composition), Mg: LiTaO 3 (congruent composition / stoichiometric composition), and KTP. .
なお、本発明の実施形態では、波長変換の一例として、赤外光（１０６４ｎｍ）から可視光（５３２ｎｍ）への変換を例にしたが、第２高調波発生以外にも、和周波発生、差周波発生、パラメトリック発振にも分極反転構造の周期を利用して、光の位相を整合させる構造を利用しているものであれば使用ができる。 In the embodiment of the present invention, as an example of wavelength conversion, conversion from infrared light (1064 nm) to visible light (532 nm) is taken as an example, but in addition to second harmonic generation, sum frequency generation, difference Any frequency generation and parametric oscillation can be used as long as they utilize a structure that matches the phase of light by utilizing the period of the domain-inverted structure.
また、本発明はファイバレーザから出力されたパルス光を波長変換素子により高調波に変換した波長変換レーザとしても応用できる。波長変換として第２高調波に変換すると短波長光の発生が可能となり、加工対象物の範囲が広がる。波長変換は非線形現象を利用するため、パルスの強度分布を変調できる。波長変換することでパルス幅を約１／２程度に圧縮できるという利点を有する。 The present invention can also be applied as a wavelength conversion laser in which pulse light output from a fiber laser is converted into a harmonic by a wavelength conversion element. When converted into the second harmonic as wavelength conversion, it becomes possible to generate short wavelength light, and the range of the workpiece is widened. Since the wavelength conversion uses a nonlinear phenomenon, the intensity distribution of the pulse can be modulated. The wavelength conversion has the advantage that the pulse width can be compressed to about ½.
さらに波長変換素子として周期状の分極反転構造有する非線形光学結晶を用いると、パルス波形整形に有効である。周期状の分極反転構造を有する波長変換素子はウォークオフがないため長い作用長を利用できる。作用長が長くなると波長変換を行う波長許容度が狭くなる。パルス波形は立ち下がり時にテールを引くため立ち下がり時間が遅くなるが、このテール部分の波長とパルスピークの波長がわずかに異なる。このため周期状の分極反転構造を有する波長変換素子により波長変換を行うと、テール部分の変換効率が低下してパルス波形が整形される利点がある。このため、非線形光学効果によるパルス幅の圧縮に加えて、パルス波形整形が可能であるという点で有効である。 Furthermore, using a nonlinear optical crystal having a periodic domain-inverted structure as the wavelength conversion element is effective for shaping the pulse waveform. Since the wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure has no walk-off, a long action length can be used. As the action length becomes longer, the wavelength tolerance for wavelength conversion becomes narrower. Since the pulse waveform has a tail when it falls, the fall time is delayed, but the wavelength of this tail portion and the wavelength of the pulse peak are slightly different. For this reason, when wavelength conversion is performed by a wavelength conversion element having a periodic domain-inverted structure, there is an advantage that the conversion efficiency of the tail portion is reduced and the pulse waveform is shaped. This is effective in that the pulse waveform can be shaped in addition to the compression of the pulse width by the nonlinear optical effect.
本発明にかかるファイバレーザ光源とそれを用いた波長変換レーザ装置短波長光源によれば、パルス間隔を変化させた場合にも常に安定なパルス出力が得られる。このような高出力パルスファイバレーザによって、レーザ加工、レーザアニールなどの産業用度に適した短波長光源を実現することができる。 According to the fiber laser light source and the wavelength conversion laser device short wavelength light source using the fiber laser light source according to the present invention, a stable pulse output can always be obtained even when the pulse interval is changed. With such a high-power pulse fiber laser, a short wavelength light source suitable for industrial use such as laser processing and laser annealing can be realized.
１０１ 励起用レーザ光源
１０２ Ｙｂドープファイバ
１０３ ＦＢＧ（ファーバブラッググレーティング）
１０４ ＦＢＧ（ファーバブラッググレーティング）
１０５ ＳＨＧモジュール
１０６ ＰＤ
１０８ サンプリングミラー
１１０ 駆動電源
１２０ パルス出力制御回路
１２１ パルス出力制御回路
１３０ タイミング弁別回路
１３１ タイミング弁別回路
２０１ 励起光
２０２ レーザ媒質
２０３ 出力光
２０４ ミラー
２０５ ミラー
101 Excitation laser light source 102 Yb-doped fiber 103 FBG (Faber Bragg grating)
104 FBG (Faber Bragg Grating)
105 SHG module 106 PD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 108 Sampling mirror 110 Drive power supply 120 Pulse output control circuit 121 Pulse output control circuit 130 Timing discrimination circuit 131 Timing discrimination circuit 201 Excitation light 202 Laser medium 203 Output light 204 Mirror 205 Mirror
Claims (9)
前記共振器の一端に励起光を入射する励起用レーザ光源と、
連続パルス光を出力する際に、前記励起用レーザ光源に前記レーザ共振器がパルス発光できる第１の電流を与えた後に、前記第１の電流より小さく前記レーザ共振器の閾値電流より大きい第２の電流を与え、前記第２の電流を停止した後に休止期間を設けて次のパルス発光を行うための電流を前記励起用レーザ光源に与える駆動電流供給手段と、
から成るファイバレーザレーザ光源。 A fiber containing a laser active substance and a laser resonator provided with fiber gratings at both ends thereof;
An excitation laser light source that makes excitation light incident on one end of the resonator;
A second current smaller than the first current and larger than a threshold current of the laser resonator after applying a first current that can be pulsed by the laser resonator to the excitation laser light source when outputting continuous pulse light; Drive current supply means for providing the excitation laser light source with a current for performing a next pulse emission by providing a rest period after stopping the second current,
Fiber laser laser light source consisting of
前記ファイバレーザ光源からのレーザ光を波長変換して高調波を出力する波長変換素子と、
前記波長変換素子から出力される高調波の一部を検出する高調波出力検出器と、
前記ファイバレーザ光源の駆動電流供給手段から励起用レーザ光源へ出力する電流タイミングを弁別するタイミング弁別手段と、
前記タイミング弁別手段によって弁別された前記レーザ共振器がパルス発光するタイミングで前記高調波出力検出器からの値をパルス出力値として取り込み、その値が目標値に近づくように前記駆動電流供給手段の出力電流を調整する指示を行うパルス出力制御手段と、
を備えた波長変換レーザ光源。 A fiber laser light source according to claim 1;
A wavelength conversion element that converts the wavelength of laser light from the fiber laser light source and outputs harmonics;
A harmonic output detector for detecting a part of the harmonics output from the wavelength conversion element;
Timing discriminating means for discriminating current timing output from the drive current supply means of the fiber laser light source to the excitation laser light source;
The value output from the harmonic output detector is taken as a pulse output value at the timing at which the laser resonator discriminated by the timing discriminating means emits a pulse, and the output of the drive current supply means is set so that the value approaches the target value. Pulse output control means for giving an instruction to adjust the current;
A wavelength-converted laser light source.
前記レーザ共振器がパルス発光できるための前記励起用レーザ光源に送る電流を前記駆動電流供給手段に指示する請求項８に記載の波長変換レーザ光源。 The pulse output control means further calculates a ratio between the pulse output value and the preliminary light emission output value, and based on the ratio,
9. The wavelength-converted laser light source according to claim 8, wherein the drive current supply means is instructed to send current to the excitation laser light source so that the laser resonator can emit pulses.
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