JP2012243789A - Fiber laser processing apparatus and laser processing method - Google Patents

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和人 日下部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate the need for an expensive high output optical isolator while surely preventing damage on the light source or the optical components due to reflection return light, in a master oscillator power amplifier (MOPA) system fiber laser processing apparatus.SOLUTION: In the fiber laser processing apparatus, a seed light generation unit 10, an active fiber 12, a wavelength conversion fiber 14 and an optical beam irradiation unit 16 are cascaded optically via an optical isolator 18, an optical coupler 20 and optical filters 22, 24. The first optical filter 22 passes only the wavelength of the seed light selectively. The wavelength conversion fiber 14 functions as a nonlinear medium for generating stimulated Raman scattering light from high power pump light. The second optical filter 24 passes all or a part of the wavelength band of stimulated Raman scattering light(SRS light) selectively out of the light beam output from the output end of the wavelength conversion fiber 14.

Description

本発明は、シード光を光ファイバの中で増幅して得られる光ビームを被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うMOPA方式のファイバレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a MOPA-type fiber laser processing apparatus and a laser processing method for performing desired laser processing by irradiating a workpiece with a light beam obtained by amplifying seed light in an optical fiber.

最近、ファイバレーザで生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が普及している。その中で、MOPA(Master Oscillator _ Power Amplifier)方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。   Recently, fiber laser processing apparatuses that perform desired laser processing by irradiating a workpiece with laser light generated by a fiber laser have become widespread. Among them, a fiber laser processing apparatus of the MOPA (Master Oscillator_Power Amplifier) method is also attracting attention.

ファイバMOPA方式は、コアにYb等の希土類元素を添加した光ファイバをレーザ増幅用のアクティブファイバに使用し、シードレーザで生成した低出力のシード光を一端からアクティブファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起光で励起することによって、コアの中でシード光を高出力の加工用の光ビームに増幅または変換するものであり、光/光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。   The fiber MOPA system uses an optical fiber in which a rare earth element such as Yb is added to the core as the active fiber for laser amplification, and the low-power seed light generated by the seed laser enters the core of the active fiber from one end to the other end. The seed light is amplified or converted into a high-power processing light beam in the core by exciting the core with the excitation light while propagating to a high power / light conversion efficiency and beam mode. It has features such as stability.

しかしながら、MOPA方式ファイバレーザ加工装置においては、加工用の光ビームを被加工物に照射した際に、被加工物からの反射光の一部がレーザ出射光学系およびレーザ伝送光学系を逆方向に伝搬してアクティブファイバに戻ってくることがある。このような反射戻り光は、アクティブファイバの中で増幅され、アクティブファイバ、シードLD、励起光源等にダメージを与える。   However, in the MOPA fiber laser processing apparatus, when the workpiece is irradiated with the processing light beam, a part of the reflected light from the workpiece is directed in the opposite direction to the laser emission optical system and the laser transmission optical system. May propagate and return to the active fiber. Such reflected return light is amplified in the active fiber and damages the active fiber, the seed LD, the excitation light source, and the like.

この問題に対して、従来は、アクティブファイバの後段の光伝送路に光アイソレータを挿入して、被加工物からの反射戻り光を光アイソレータによって阻止するようにしている。この種の光アイソレータは、偏光素子やファラデー回転子等の光学部品からなり、順方向の光(加工用の光ビーム)を通過し、逆方向の光(反射戻り光)を遮断する機能を有している。   Conventionally, with respect to this problem, an optical isolator is inserted into the optical transmission line downstream of the active fiber so that reflected return light from the workpiece is blocked by the optical isolator. This type of optical isolator consists of optical components such as a polarizing element and a Faraday rotator, and has a function of passing forward light (processing light beam) and blocking reverse light (reflected return light). doing.

米国特許第6275250号US Pat. No. 6,275,250

上記のようにアクティブファイバの後段に設けられる光アイソレータは、高出力のファイバレーザ用であるため、サイズが大きいうえ価格が非常に高い。一般に、光のパワーが高いほど、光アイソレータは高価になる。   As described above, the optical isolator provided in the subsequent stage of the active fiber is for a high-power fiber laser, and therefore has a large size and a very high price. In general, the higher the optical power, the more expensive the optical isolator.

また、通常の光アイソレータの逆方向透過率または逆方向挿入損失は−30dB程度であり、僅かながら反射戻り光の一部を透過する。ところが、光アイソレータを通り抜けた僅かな反射戻り光がアクティブファイバを逆方向に伝搬する間に高パワーに増幅され、MOPAレーザ内の光源や光学部品を損傷する原因になることがある。   Further, the reverse transmittance or reverse insertion loss of a normal optical isolator is about −30 dB, and a part of the reflected return light is transmitted slightly. However, a slight amount of reflected return light that has passed through the optical isolator is amplified to high power while propagating in the reverse direction through the active fiber, which may cause damage to the light source and optical components in the MOPA laser.

また、光アイソレータの逆方向透過率には波長依存性があり、使用波長が決められている。このため、たとえばシード光源の温度特性によってシード光の波長が変動し、ひいては反射戻り光の波長が使用波長から外れると、逆方向透過率が標準値の−30dBからたとえば−25dBまで低下して、仕様の遮断性能が保証されなくなる。さらに、光アイソレータには通常1.0dB程度の順方向損失がある。この順方向損失にも上記と同様の波長依存性があり、シード光の波長が使用波長から外れると、順方向損失が一気に増大する。なお、使用波長を拡げることは、光アイソレータの製作上非常に困難である。   Further, the reverse transmittance of the optical isolator has a wavelength dependency, and the wavelength to be used is determined. For this reason, for example, when the wavelength of the seed light fluctuates depending on the temperature characteristics of the seed light source, and the wavelength of the reflected return light deviates from the use wavelength, the reverse transmittance decreases from the standard value of −30 dB to, for example, −25 dB, The shut-off performance of the specification is not guaranteed. Furthermore, the optical isolator usually has a forward loss of about 1.0 dB. This forward loss also has the same wavelength dependency as described above. When the wavelength of the seed light deviates from the use wavelength, the forward loss increases at a stretch. In addition, it is very difficult to manufacture an optical isolator to expand the wavelength used.

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、高価な高出力用の光アイソレータを不要とし、しかも反射戻り光による光源や光学部品の損傷をより確実に防止できるようにしたMOPA方式のファイバレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供する。   The present invention solves the problems of the prior art as described above, eliminates the need for an expensive high-power optical isolator, and more reliably prevents damage to the light source and optical components due to reflected return light. A MOPA type fiber laser processing apparatus and a laser processing method are provided.

本発明の第1の観点におけるMOPA方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を発生するシード光発生部と、希土類元素を添加したコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、前記シード光発生部および前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、光学的に非線形なコアを有し、前記増幅用光ファイバより出力される前記シード光と同一波長の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、前記増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第1の光フィルタと、前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第2の光フィルタとを有する。   A MOPA fiber laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a seed light generation unit that generates seed light and a core to which a rare earth element is added, and the seed light from the seed light generation unit is input to an input terminal. An optical fiber for amplification that is amplified by stimulated emission while propagating the seed light toward the output end, and an excitation light source that generates excitation light for exciting the core of the optical fiber for amplification And an optical coupler that optically couples the seed light generator and the pumping light source to the input end of the amplification optical fiber, and an optically nonlinear core, and is output from the amplification optical fiber. A wavelength conversion that generates a stimulated Raman scattering light while propagating the pump light toward the output end by inserting a light beam having the same wavelength as the seed light into the core from the input end as pump light. An optical fiber, a light beam irradiating unit for condensing and irradiating the workpiece with the stimulated Raman scattered light output from the wavelength converting optical fiber as a processing laser beam, the amplification optical fiber, and the wavelength converting light A wavelength of the stimulated Raman scattering light provided between the first optical filter that transmits only the wavelength of the seed light, the wavelength conversion optical fiber, and the light beam irradiation unit. And a second optical filter that only transmits light.

上記構成においては、微弱なパワーのシード光を増幅用光ファイバにより増幅し、それによって得られる高パワーのポンプ光を第1の光フィルタを介して波長変換用光ファイバに注入し、波長変換用光ファイバの中で誘導ラマン散乱光を発生させる。そして、波長変換用光ファイバの出力端より出た光ビームの中から第2の光フィルタにより誘導ラマン散乱光を抽出してこれを加工用光ビームに用いる。レーザ加工中に、被加工物から反射光の一部が戻り光として光ビーム照射部、第2の光フィルタおよび波長変換用光ファイバを逆方向に伝搬して来ることがある。しかし、こうした反射戻り光は、増幅用光ファイバに入る前に第1の光フィルタによって遮断される。   In the above configuration, the weak power seed light is amplified by the amplification optical fiber, and the high-power pump light obtained thereby is injected into the wavelength conversion optical fiber through the first optical filter, and the wavelength conversion optical fiber is injected. Stimulated Raman scattered light is generated in the optical fiber. Then, the stimulated Raman scattering light is extracted from the light beam emitted from the output end of the wavelength conversion optical fiber by the second optical filter and used as the processing light beam. During laser processing, part of the reflected light from the workpiece may propagate in the reverse direction through the light beam irradiation unit, the second optical filter, and the wavelength conversion optical fiber as return light. However, such reflected return light is blocked by the first optical filter before entering the amplification optical fiber.

本発明の第2の観点におけるMOPA方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を発生するシード光発生部と、希土類元素を添加した第1のコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記第1のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅する第1の増幅用光ファイバと、前記第1の増幅用光ファイバの第1のコアを励起するための第1の励起光を発生する第1の励起光源と、前記シード光発生部および前記第1の励起光源を前記第1の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第1の光結合器と、希土類元素を添加した第2のコアを有し、前記第1の増幅用光ファイバの出力端より出力される第1段増幅の光ビームを入力端より前記第2のコアの中に入れ、前記第1段増幅の光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅する第2の増幅用光ファイバと、前記第2の増幅用光ファイバの第2のコアを励起するための第2の励起光を発生する第2の励起光源と、前記第1の増幅用光ファイバの出力端および前記第2の励起光源を前記第2の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第2の光結合器と、光学的に非線形なコアを有し、前記第2の増幅用光ファイバより出力される第2段増幅の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、前記第2の増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第1の光フィルタと、前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第2の光フィルタとを有する。   A MOPA fiber laser processing apparatus according to a second aspect of the present invention includes a seed light generation unit that generates seed light and a first core to which a rare earth element is added, and the seed light from the seed light generation unit. Is input into the first core from the input end, and the first amplification optical fiber that amplifies by stimulated emission while propagating the seed light, and the first core of the first amplification optical fiber are excited. A first pumping light source for generating first pumping light for optically transmitting, a first light source for optically coupling the seed light generating unit and the first pumping light source to an input end of the first optical fiber for amplification And a second core to which a rare earth element is added, and a first-stage amplified light beam output from the output end of the first amplification optical fiber is input from the input end to the second core. And transmit the first stage amplification light beam. A second amplifying optical fiber that amplifies by stimulated emission while generating a second excitation light for exciting a second core of the second amplifying optical fiber, A second optical coupler for optically coupling the output end of the first amplification optical fiber and the second pumping light source to the input end of the second amplification optical fiber, and an optically nonlinear core A second-stage amplification light beam output from the second amplification optical fiber is introduced as pump light into the core from the input end, and the pump light is propagated toward the output end to induce Raman A wavelength conversion optical fiber that generates scattered light, a light beam irradiation unit that condenses and irradiates a workpiece with the stimulated Raman scattered light output from the wavelength conversion optical fiber as a processing laser beam, and the second Amplifying optical fiber and said wavelength A first optical filter that is provided between the optical fiber for replacement and transmits only the wavelength of the seed light; and provided between the optical fiber for wavelength conversion and the light beam irradiation unit, and the stimulated Raman scattering. And a second optical filter that transmits only the wavelength of light.

上記の構成においては、反射戻り光対策として上記第1の観点におけるファイバレーザ加工装置と同様の作用効果が得られるとともに、複数の増幅用光ファイバつまり光アンプをカスケード接続する構成により、シード光のパワーを可及的に低くしつつポンプ光および加工用光ビームのパワーをより任意または自由に高くすることができる。   In the above configuration, the same effect as the fiber laser processing apparatus in the first aspect can be obtained as a countermeasure against reflected return light, and a plurality of amplification optical fibers, that is, optical amplifiers are cascade-connected, so that The power of the pump light and the processing light beam can be arbitrarily or freely increased while making the power as low as possible.

本発明のレーザ加工方法は、レーザダイオードを用いてスペクトルの中心波長が1060nm付近にあるシード光を生成する工程と、前記シード光を励起光と一緒に増幅用光ファイバのコアの中を伝搬させながら誘導放出により増幅する工程と、前記増幅用光ファイバより出力された光の中から、第1の光フィルタを用いて前記第1のシード光と同じ波長を有する光ビームをポンプ光として抽出する工程と、前記ポンプ光を光学的に非線形なコアを有する波長変換用光ファイバに導入して、前記波長変換用光ファイバ内で誘導ラマン散乱光を生成する工程と、前記波長変換用光ファイバより出力された光の中から、第2の光フィルタを用いて前記誘導ラマン散乱光の1080〜1300nmの波長成分を加工用レーザ光として抽出する工程と、所与の被加工物に前記加工用レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を施す工程とを有する。   The laser processing method of the present invention includes a step of generating seed light having a center wavelength of about 1060 nm using a laser diode, and propagating the seed light together with excitation light in the core of an optical fiber for amplification. The light beam having the same wavelength as the first seed light is extracted as pump light from the light amplified by stimulated emission and the light output from the amplification optical fiber using the first optical filter. A step of introducing the pump light into a wavelength conversion optical fiber having an optically nonlinear core to generate stimulated Raman scattered light in the wavelength conversion optical fiber, and the wavelength conversion optical fiber A step of extracting a wavelength component of 1080 to 1300 nm of the stimulated Raman scattering light as processing laser light from the output light using a second optical filter; The processing laser beam to a given workpiece by irradiating light collecting and a step of subjecting the desired laser processing.

上記の構成によれば、MOPA方式ファイバレーザ加工における反射戻り光の対策とレーザの高出力化とを最も効率的よく確実に両立させることができる。   According to the above configuration, it is possible to achieve both the most efficient and reliable compatibility between the countermeasures for reflected return light and the increase in laser output in the MOPA fiber laser processing.

本発明のファイバレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、最終出力端に高価な高出力用の光アイソレータを設けなくても、装置内の光源や光学部品の損傷を来すことなく被加工物からの反射戻り光を確実に遮断することができる。   According to the fiber laser processing apparatus of the present invention, the light source and optical components in the apparatus are damaged by the configuration and operation as described above without providing an expensive high output optical isolator at the final output end. The reflected return light from the workpiece can be reliably blocked without any problem.

また、本発明のレーザ加工方法によれば、装置内の光源や光学部品の破損を防止するとともに、高出力の光ビームによる高品質のレーザ加工を行うことができる。   In addition, according to the laser processing method of the present invention, it is possible to prevent damage to the light source and optical components in the apparatus and to perform high-quality laser processing with a high-power light beam.

本発明の一実施形態におけるMOPA方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the MOPA system fiber laser processing apparatus in one Embodiment of this invention. 上記MOPA方式ファイバレーザ加工装置の各部における光ビームのパワーのパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the pulse waveform of the power of the light beam in each part of the said MOPA system fiber laser processing apparatus. 上記MOPA方式ファイバレーザ加工装置の各部における光ビームの波長スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the wavelength spectrum of the light beam in each part of the said MOPA system fiber laser processing apparatus. ポンプ光のピークパワー(16kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (16 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. ポンプ光のピークパワー(18kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (18 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. ポンプ光のピークパワー(20kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (20 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. ポンプ光のピークパワー(22kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (22 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. ポンプ光のピークパワー(24kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (24 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. ポンプ光のピークパワー(26kW)とSRS光の波長スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak power (26 kW) of pump light, and the wavelength spectrum of SRS light. 一変形例におけるMOPA方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the MOPA system fiber laser processing apparatus in one modification.

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1に、本発明の一実施形態におけるMOPA方式ファイバレーザ加工装置の構成を示す。このMOPA方式ファイバレーザ加工装置は、パルス波形のシード光を光ファイバの中で増幅して得られるパルス波形の光ビームを被加工物に照射して、マーキング、穴あけ等のレーザ加工を行えるようになっている。   FIG. 1 shows the configuration of a MOPA fiber laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. This MOPA type fiber laser processing apparatus can perform laser processing such as marking and drilling by irradiating a workpiece with a light beam having a pulse waveform obtained by amplifying a pulse waveform of seed light in an optical fiber. It has become.

このファイバレーザ加工装置は、主たる構成として、シード光発生部10、増幅用光ファイバ(以下「アクティブファイバ」と称する)12、波長変換用光ファイバ(以下「波長変換ファイバ」と称する)14および光ビーム照射部16を光アイソレータ18、光結合器20および光フィルタ22,24を介して光学的に縦続接続している。   The fiber laser processing apparatus mainly includes a seed light generation unit 10, an amplification optical fiber (hereinafter referred to as "active fiber") 12, a wavelength conversion optical fiber (hereinafter referred to as "wavelength conversion fiber") 14, and an optical device. The beam irradiation unit 16 is optically cascaded through an optical isolator 18, an optical coupler 20, and optical filters 22 and 24.

シード光発生部10は、シード用のレーザダイオード(以下「シードLD」と称する。)26と、このシードLD26をパルス波形の電流で駆動してパルス波形のシード光(LD光)を発生させるLD駆動回路28とを有している。シードLD26は、ファイバカップリングLDとして構成されており、スペクトル中心波長が1060nmのパルス波形のシード光を数W以下の低いピークパワーPAで発振出力する。 The seed light generator 10 is a laser diode for seeding (hereinafter referred to as “seed LD”) 26 and an LD that drives the seed LD 26 with a pulse waveform current to generate seed light (LD light) having a pulse waveform. Drive circuit 28. Seed LD26 is constructed as a fiber coupling LD, the spectrum center wavelength oscillates and outputs a seed light pulse waveform of 1060nm several W or less low peak power P A.

シード光発生部10とアクティブファイバ12との間に設けられる光結合器20は、複数の入力ポート20IN(1),20IN(2),20IN(3),・・と1つの出力ポート20OUTとを有している。第1の入力ポート20IN(1)には、光アイソレータ18を介してシードLD26が接続される。第2および第3以降の入力ポート20N(2),20IN(3),・・には、アクティブファイバ12のコアを励起するための励起用LD(以下「ポンプLD」と称する。)30が接続される。出力ポート20OUTには、アクティブファイバ12の入力端が接続される。   An optical coupler 20 provided between the seed light generator 10 and the active fiber 12 includes a plurality of input ports 20IN (1), 20IN (2), 20IN (3),... And one output port 20OUT. Have. A seed LD 26 is connected to the first input port 20IN (1) via the optical isolator 18. An excitation LD (hereinafter referred to as “pump LD”) 30 for exciting the core of the active fiber 12 is connected to the second and third and subsequent input ports 20N (2), 20IN (3),. Is done. The input port of the active fiber 12 is connected to the output port 20OUT.

シード光発生部10、光アイソレータ18および光結合器20によって、アクティブファイバ12に対するシード光注入部が構成されている。ポンプLD30および光結合器20によって、アクティブファイバ12に対する励起光注入部が構成されている。   The seed light generation unit 10, the optical isolator 18, and the optical coupler 20 constitute a seed light injection unit for the active fiber 12. The pump LD 30 and the optical coupler 20 constitute an excitation light injection unit for the active fiber 12.

なお、光アイソレータ18は、シードLD26より出力される微弱なパワー(通常数W以下)のシード光およびその反射戻り光をそれぞれ順方向および逆方向の入射光とするので、小型・安価なもので済ますことができる。   The optical isolator 18 is small and inexpensive because the seed light of the weak power (usually several W or less) output from the seed LD 26 and its reflected return light are incident light in the forward direction and the reverse direction, respectively. I can do it.

アクティブファイバ12は、少なくともYbイオンを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長(ファイバ長)がたとえば3〜15mに選ばれている。アクティブファイバ12の利得は、ポンプLD30の総合出力によりたとえば10〜40dBの範囲で調節可能となっている。   The active fiber 12 has a core made of quartz added with at least Yb ions and a clad made of, for example, quartz surrounding the core coaxially, and the total length (fiber length) is selected to be, for example, 3 to 15 m. . The gain of the active fiber 12 can be adjusted, for example, in the range of 10 to 40 dB by the total output of the pump LD30.

アクティブファイバ12と波長変換ファイバ14との間に設けられる第1の光フィルタ22は、たとえば波長選択性のある誘電体多層膜をガラス基板上に成膜してなる透過型または反射型ミラーからなり、シード光の波長のみを、つまりスペクトル中心波長(1060nm)およびその近辺の狭い帯域(たとえば1055〜1065nm)の波長のみを選択的に透過するバンドパスフィルタとして構成されている。   The first optical filter 22 provided between the active fiber 12 and the wavelength conversion fiber 14 is composed of, for example, a transmission type or reflection type mirror formed by forming a dielectric multilayer film having wavelength selectivity on a glass substrate. The band-pass filter selectively transmits only the wavelength of the seed light, that is, only the wavelength of the spectrum center wavelength (1060 nm) and the narrow band in the vicinity thereof (for example, 1055 to 1065 nm).

アクティブファイバ12より出力される光ビームは、後述するようにアクティブファイバ12内の誘導放出によりシード光を増幅して得られるものであり、シード光と同じ波長を有している。したがって、アクティブファイバ12の出力端から光フィルタ22に入射する光ビームは、そのまま光フィルタ22を通過し、高パワーのポンプ光として波長変換ファイバ14の入力端に入射するようになっている。   The light beam output from the active fiber 12 is obtained by amplifying the seed light by stimulated emission in the active fiber 12 as will be described later, and has the same wavelength as the seed light. Therefore, the light beam incident on the optical filter 22 from the output end of the active fiber 12 passes through the optical filter 22 as it is and enters the input end of the wavelength conversion fiber 14 as high-power pump light.

波長変換ファイバ14は、高パワーのポンプ光から誘導ラマン散乱光を生成するための非線形媒質であり、光学的に非線形なコアを有し、かつ高パワー耐性に優れているのが望ましく、通常の光伝送に用いられる安価な石英系ファイバ、特に添加物を含まない純石英系ファイバを好適に用いる。   The wavelength conversion fiber 14 is a nonlinear medium for generating stimulated Raman scattered light from high-power pump light, and preferably has an optically nonlinear core and is excellent in high power resistance. An inexpensive silica-based fiber used for optical transmission, particularly a pure silica-based fiber containing no additive is preferably used.

本発明においては、後述するように誘導ラマン散乱光(SRS光)のスペクトル幅を適度な範囲に調節する上では、波長変換ファイバ14のコア径φを20〜40μm、ファイバ全長を2〜10mに選定するのが好ましい。   In the present invention, as will be described later, in order to adjust the spectral width of the stimulated Raman scattering light (SRS light) to an appropriate range, the core diameter φ of the wavelength conversion fiber 14 is set to 20 to 40 μm, and the total length of the fiber is set to 2 to 10 m. It is preferable to select.

波長変換ファイバ14と光ビーム照射部16との間に設けられる第2の光フィルタ24は、第1の光フィルタ22と同様の構成を有する透過型または反射型のミラーからなり、波長変換ファイバ14の出力端より出力される光ビームの中からSRS光の波長帯域の全部または一部(たとえば後述するように、シード光の波長が1060μmのときは1080〜1300nm)のみを選択的に透過するバンドパスフィルタとして構成されている。両光フィルタ22,24および波長変換ファイバ14の作用については後に詳しく説明する。   The second optical filter 24 provided between the wavelength conversion fiber 14 and the light beam irradiation unit 16 is composed of a transmission type or reflection type mirror having the same configuration as the first optical filter 22, and the wavelength conversion fiber 14. A band that selectively transmits all or part of the wavelength band of the SRS light from the light beam output from the output terminal (for example, as described later, when the seed light wavelength is 1060 μm, it is 1080 to 1300 nm). It is configured as a path filter. The operation of the optical filters 22 and 24 and the wavelength conversion fiber 14 will be described in detail later.

光ビーム照射部16は、第2の光ファイバ24により抽出されるパルス波形のSRS光つまり加工用光ビームLBをたとえばコリメータ32、ベントミラー34等の光伝送系を介して受け取り、受け取った加工用光ビームLBをステージ36上の被加工物W表面の所望の位置に集光照射するようになっている。たとえば、マーキング加工を行う場合、光ビーム照射部16にはガルバノスキャナが搭載される。   The light beam irradiation unit 16 receives the SRS light having a pulse waveform extracted by the second optical fiber 24, that is, the processing light beam LB through an optical transmission system such as the collimator 32 and the vent mirror 34, and receives the received processing beam. The light beam LB is condensed and applied to a desired position on the surface of the workpiece W on the stage 36. For example, when marking is performed, a galvano scanner is mounted on the light beam irradiation unit 16.

制御部38は、キーボードあるいはマウス等の入力装置40およびディスプレイ(図示せず)等と接続するマイクロコンピュータからなり、メモリに格納された制御プログラムに基づいて上述した装置内の各部および装置全体の制御を行う。   The control unit 38 includes a microcomputer connected to an input device 40 such as a keyboard or a mouse, a display (not shown), and the like, and controls each unit in the device and the entire device based on a control program stored in a memory. I do.

次に、図2および図3を参照して、このMOPA方式ファイバレーザ加工装置の作用を説明する。図2は装置内の各部における光ビームのパワーのパルス波形を示し、図3は装置内の各部における光ビームの波長スペクトルを示す。   Next, the operation of this MOPA fiber laser processing apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows the pulse waveform of the power of the light beam in each part in the apparatus, and FIG. 3 shows the wavelength spectrum of the light beam in each part in the apparatus.

このMOPA方式ファイバレーザ加工装置において、マーキング加工を行う場合、シード光発生部10は、スペクトル中心波長が1060nmのパルス波形のシード光(LD光)を所望のパルス幅(たとえば0.1〜200ns)、所望のピークパワーPA(たとえば100〜2000mW)および所望の繰り返し周波数(たとえば20〜500kHz)で出力する。図2の(A)および図3の(A)に、シード光のパルス波形および波長スペクトルを示す。なお、繰り返し周波数は、たとえば10kHz〜1MHzの範囲で設定することができる。シード光発生部10より出力されたパルス波形のシード光は、アイソレータ18および光結合器20を介してアクティブファイバ12のコアに注入される。 In this MOPA type fiber laser processing apparatus, when marking is performed, the seed light generator 10 generates seed light (LD light) having a pulse waveform with a spectrum center wavelength of 1060 nm to a desired pulse width (for example, 0.1 to 200 ns). , output in a desired peak power P a (e.g. 100~2000MW) and the desired repetition frequency (e.g. 20~500kHz). 2A and 3A show the pulse waveform and wavelength spectrum of the seed light. Note that the repetition frequency can be set in the range of 10 kHz to 1 MHz, for example. The seed light having a pulse waveform output from the seed light generator 10 is injected into the core of the active fiber 12 via the isolator 18 and the optical coupler 20.

一方、ポンプLD30は、スペクトル中心波長が所定値たとえば915nm(または940nmもしくは975nm)である連続波(cw)の励起光を出力する。ポンプLD36より出力される連続波の励起光は光結合器24を介してアクティブファイバ12のコアに注入される。   On the other hand, the pump LD 30 outputs continuous wave (cw) excitation light having a spectrum center wavelength of a predetermined value, for example, 915 nm (or 940 nm or 975 nm). The continuous wave excitation light output from the pump LD 36 is injected into the core of the active fiber 12 via the optical coupler 24.

アクティブファイバ12の中で、シード光は、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ出力端側に向って伝搬する。一方、励起光は、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながらアクティブファイバ12の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中のYbイオンを光励起する。   In the active fiber 12, the seed light propagates in the core in the axial direction toward the fiber output end side while being confined by total reflection at the interface between the core and the clad. On the other hand, the excitation light propagates in the active fiber 12 in the axial direction while being confined by total reflection at the cladding outer peripheral interface, and optically excites Yb ions in the core by crossing the core many times during the propagation.

こうして、シード光と励起光とがアクティブファイバ12を伝搬する間に、そのYb添加コアにおいて励起光スペクトルの吸収とシード光スペクトルの誘導放出とが繰り返し行われ、アクティブファイバ12の出力端より非常に高いピークパワーPB(好ましくは10kW以上、より好ましくは20kW以上)を有するまでに増幅されたパルス波形のシード光つまり増幅パルスの光ビームが出される。この増幅パルスの光ビームのスペクトル中心波長は、シード光のスペクトル中心波長と同じ(1060nm)である。図2の(B)および図3の(B)に、アクティブファイバ12の出力端に得られる増幅パルスの光ビームのパルス波形および波長スペクトルを示す。 Thus, while the seed light and the pump light propagate through the active fiber 12, the absorption of the pump light spectrum and the stimulated emission of the seed light spectrum are repeatedly performed in the Yb-doped core, which is much higher than the output end of the active fiber 12. A seed light having a pulse waveform amplified to have a high peak power P B (preferably 10 kW or more, more preferably 20 kW or more), that is, a light beam of an amplified pulse is emitted. The spectral center wavelength of the light beam of this amplified pulse is the same (1060 nm) as the spectral center wavelength of the seed light. FIG. 2B and FIG. 3B show the pulse waveform and wavelength spectrum of the light beam of the amplified pulse obtained at the output end of the active fiber 12.

アクティブファイバ12の出力端から出た増幅パルスの光ビームは、第1の光フィルタ22を殆ど減衰せずに透過し、ポンプ光として波長変換ファイバ14の入力端に注入される。なお、アクティブファイバ12の中で非線形効果に基づく高調波または散乱光が発生しても、第1の光フィルタ22によって遮断されるので、後段の波長変換ファイバ14に入射することはない。   The light beam of the amplified pulse emitted from the output end of the active fiber 12 passes through the first optical filter 22 with almost no attenuation, and is injected into the input end of the wavelength conversion fiber 14 as pump light. Even if harmonics or scattered light based on the nonlinear effect is generated in the active fiber 12, it is blocked by the first optical filter 22, and therefore does not enter the wavelength conversion fiber 14 at the subsequent stage.

こうして、非線形媒質である波長変換ファイバ14にラマン閾値を超えるパワーのポンプ光が入射すると、波長変換ファイバ14の中で石英の分子振動や格子振動に基づく誘導ラマン散乱によりポンプ光の波長(つまりシードの波長)よりも幾らか長い波長の光、いわゆるストークス光が発生する。しかも、この実施形態では、ポンプ光のピークパワーPBがラマン閾値を優に超えるため、ポンプ光からやや長い波長にシフトした1次ストークス光が発生するだけでなく、1次ストークス光からやや長い波長にシフトした2次ストークス光、さらには2次ストークス光からやや長い波長にシフトした3次ストークス光、・・・というように、ラマン閾値を超えなくなるまで高次のストークス光が次々と派生的に発生し、それら1次および高次のストークス光を含む誘導ラマン散乱光(SRS光)とポンプ光を波長成分とするパルス波形の光ビームが波長変換ファイバ14の出力端より出力される。 Thus, when pump light having a power exceeding the Raman threshold is incident on the wavelength conversion fiber 14 which is a nonlinear medium, the wavelength of the pump light (that is, the seed) is caused by stimulated Raman scattering based on molecular vibration or lattice vibration of quartz in the wavelength conversion fiber 14. Light having a wavelength slightly longer than that of the light, so-called Stokes light is generated. In addition, in this embodiment, since the peak power P B of the pump light is well above the Raman threshold, not only the primary Stokes light shifted from the pump light to a slightly longer wavelength is generated but also slightly longer from the primary Stokes light. Second-order Stokes light shifted to the wavelength, and third-order Stokes light shifted from the second-order Stokes light to a slightly longer wavelength, and so on. Higher-order Stokes light is successively derived until the Raman threshold is not exceeded. A light beam having a pulse waveform having wavelength components of the stimulated Raman scattering light (SRS light) including the first-order and higher-order Stokes lights and the pump light is output from the output end of the wavelength conversion fiber 14.

図2の(C)および図3の(C)に、波長変換ファイバ14の出力端より得られる光ビームのパルス波形および波長スペクトルを示す。図3の(C)に示すように、波長スペクトル的にはポンプ光の波長にSRS光の波長が追加される。しかし、パワー的にはポンプ光のパワーがSRS光のパワーにシフトするだけなので、図2の(C)に示すように光ビーム全体のパワーは殆ど変わらない。   FIG. 2C and FIG. 3C show the pulse waveform and wavelength spectrum of the light beam obtained from the output end of the wavelength conversion fiber 14. As shown in FIG. 3C, the wavelength of SRS light is added to the wavelength of pump light in terms of wavelength spectrum. However, in terms of power, since the power of the pump light is only shifted to the power of the SRS light, the power of the entire light beam is hardly changed as shown in FIG.

図4A〜図4Fに、波長変換ファイバ14の入力端に注入されるポンプ光のピークパワーPBと波長変換ファイバ14の出力端に得られるSRS光の波長スペクトルとの相間関係(実験結果)を示す。 4A to 4F show the interphase relationship (experimental results) between the peak power P B of the pump light injected into the input end of the wavelength conversion fiber 14 and the wavelength spectrum of the SRS light obtained at the output end of the wavelength conversion fiber 14. Show.

図示のように、ポンプ光のピークパワーPBを高くするほど、SRS光のスペクトル幅(面積)が広がる、つまりポンプ光からSRS光への光エネルギーのシフトが増大することがわかる。しかし、SRS光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、次のような問題が生じる。
(i) SRS光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、第2の光ファルタ24の透過帯域外の波長成分が増大する。すなわち、第2の光フィルタ24を通らない光(レーザ加工に利用できない光)が増えて、レーザエネルギーの利用効率が低下する。
(ii) SRS光のスペクトル幅が拡がる過程で変換ロスが増えて波長変換効率が低下する。
(iii) SRS光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、色収差が生じて光ビームを集光できなくなる。
(iv) 第2の光フィルタ24の透過帯域を拡げると、そのぶんコストが高くなる。
As shown in the figure, it can be seen that the higher the peak power P B of the pump light, the wider the spectral width (area) of the SRS light, that is, the shift of the optical energy from the pump light to the SRS light increases. However, if the spectrum width of the SRS light is too wide, the following problem occurs.
(i) When the spectrum width of the SRS light is too wide, the wavelength component outside the transmission band of the second optical filter 24 increases. That is, the amount of light that does not pass through the second optical filter 24 (light that cannot be used for laser processing) increases, and the use efficiency of laser energy decreases.
(ii) Conversion loss increases in the process of increasing the spectral width of SRS light, and the wavelength conversion efficiency decreases.
(iii) If the spectral width of the SRS light is excessively widened, chromatic aberration occurs and the light beam cannot be condensed.
(iv) Increasing the transmission band of the second optical filter 24 increases the cost.

上記(i)〜(iv)の観点から、この実施形態のMOPA方式ファイバレーザ加工装置において、シード光としてスペクトル中心波長1060nmのLD光を用いる場合は、SRS光のスペクトル幅を1080〜1300nmに調整するのが最も好ましいことが種種の実験で確認された。かかる知見に基づいて、この実施形態では、第2の光フィルタ24に、透過帯域1080〜1300nmのバンドパスフィルタを用いる。そして、第2の光フィルタ24に入射するSRS光の波長スペクトル特性がこの特定帯域(1080〜1300nm)に適合(フィット)するように、波長変換ファイバ14のコア径および全長ならびにポンプ光のピークパワーPBを選定する。 From the viewpoints of (i) to (iv) above, in the MOPA fiber laser processing apparatus of this embodiment, when LD light having a spectral center wavelength of 1060 nm is used as seed light, the spectral width of SRS light is adjusted to 1080 to 1300 nm. It was confirmed in various experiments that it was most preferable to do this. Based on this knowledge, in this embodiment, a bandpass filter having a transmission band of 1080 to 1300 nm is used for the second optical filter 24. Then, the core diameter and the total length of the wavelength conversion fiber 14 and the peak power of the pump light are adjusted so that the wavelength spectrum characteristic of the SRS light incident on the second optical filter 24 is adapted (fit) to this specific band (1,080 to 1300 nm). Select P B.

図4A〜図4Fの実験では、波長変換ファイバ14にコア径φ20μmおよび全長5mの石英ファイバを用いた。この場合、ポンプ光のピークパワーPBを22〜26kWに選定したときに、上記特定帯域(1080〜1300nm)に適合するようなSRS光の波長スペクトル特性(図4D、図4E、図4F)が得られた。 4A to 4F, a quartz fiber having a core diameter of 20 μm and a total length of 5 m was used for the wavelength conversion fiber 14. In this case, when the peak power P B of the pump light is selected to be 22 to 26 kW, the wavelength spectrum characteristics (FIG. 4D, FIG. 4E, FIG. 4F) of the SRS light suitable for the specific band (1080 to 1300 nm) are obtained. Obtained.

こうして、ポンプ光の波長成分とSRS光の波長成分を含む光ビームが、変換ファイバ14の出力端から第2の光フィルタ24に入射する。第2の光フィルタ24は、SRS光の波長成分(好ましくは1080〜1300nm)だけを選択的または限定的に透過し、ポンプ光の波長成分を遮断する。   In this way, the light beam including the wavelength component of the pump light and the wavelength component of the SRS light enters the second optical filter 24 from the output end of the conversion fiber 14. The second optical filter 24 selectively or limitedly transmits only the wavelength component (preferably 1080 to 1300 nm) of the SRS light, and blocks the wavelength component of the pump light.

第2の光フィルタ24により抽出されたSRS光の波長成分からなる光ビームは、加工用の光ビームLBとして、コリメータ32、ベントミラー34を介して光ビーム照射部16へ送られる。   The light beam composed of the wavelength component of the SRS light extracted by the second optical filter 24 is sent to the light beam irradiation unit 16 through the collimator 32 and the vent mirror 34 as a processing light beam LB.

光ビーム照射部16は、マーキング加工用のガルバノスキャナおよびfθレンズを備えている。ガルバノスキャナは、直交する2方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部38の制御の下でシード光発生部10のパルス発振動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、加工用光ビームLBをステージ36上の被加工物W表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Wの表面に施されるマーキング加工は、典型的には文字や図形等を描画するものであるが、トリミング等の表面除去加工等も可能である。   The light beam irradiation unit 16 includes a galvano scanner for marking and an fθ lens. The galvano scanner has a pair of movable mirrors capable of swinging in two directions orthogonal to each other. Under the control of the control unit 38, the galvano scanner is synchronized with the pulse oscillation operation of the seed light generating unit 10. By controlling the direction to a predetermined angle, the processing light beam LB is condensed and irradiated to a desired position on the surface of the workpiece W on the stage 36. The marking process performed on the surface of the workpiece W typically draws characters, figures, and the like, but surface removal processes such as trimming are also possible.

このようなレーザ加工の最中に、被加工物Wで反射した光の一部が反射戻り光として光ビーム照射部16、ベントミラー34およびコリメータ32を逆方向に伝搬して第2の光フィルタ24まで来ることがある。この反射戻り光は、加工用光ビームLBと波長が同じであるから、第2の光フィルタ24を逆方向に透過し、さらには波長変換ファイバ14も逆方向に透過する。しかし、反射戻り光は、波長変換ファイバ14を出た後に第1の光フィルタ22によって阻止される。この場合、反射戻り光は、途中で一切増幅されることなく第1の光フィルタ22に達する。したがって、反射戻り光によって途中の光学部品(光ビーム照射部16,ベントミラー34,コリメータ32、第2の光フィルタ24および波長変換ファイバ14)が損傷を受けることはない。一方、第1の光フィルタ22は、反射戻り光を漏らさず十全に遮断することができる。   During such laser processing, part of the light reflected by the workpiece W propagates in the reverse direction through the light beam irradiation unit 16, the vent mirror 34, and the collimator 32 as reflected return light, so that the second optical filter. May come up to 24. Since this reflected return light has the same wavelength as that of the processing light beam LB, it passes through the second optical filter 24 in the reverse direction, and further passes through the wavelength conversion fiber 14 in the reverse direction. However, the reflected return light is blocked by the first optical filter 22 after leaving the wavelength conversion fiber 14. In this case, the reflected return light reaches the first optical filter 22 without being amplified on the way. Therefore, the optical components (light beam irradiation unit 16, vent mirror 34, collimator 32, second optical filter 24, and wavelength conversion fiber 14) in the middle are not damaged by the reflected return light. On the other hand, the first optical filter 22 can completely block the reflected return light without leaking.

このように、このMOPA方式ファイバレーザ加工装置においては、アクティブファイバ12の後段に高価な高出力用の光アイソレータを設けなくても、低コストの光フィルタ22,24および波長変換ファイバ14を用いて反射戻り光から装置内の全ての光源(26,30)およびその他の光学部品を安全確実に保護することができる。   As described above, in this MOPA type fiber laser processing apparatus, it is possible to use the low-cost optical filters 22 and 24 and the wavelength conversion fiber 14 without providing an expensive high-power optical isolator in the subsequent stage of the active fiber 12. All the light sources (26, 30) and other optical components in the apparatus can be safely and reliably protected from the reflected return light.

特に、光フィルタ22,24は設計および製作が簡単であるうえ汎用品であってもパワー耐性が相当大きいので、ファイバレーザの高出力化を容易に推進することができる。   In particular, the optical filters 22 and 24 are easy to design and manufacture, and even if they are general-purpose products, the power resistance is considerably large, so that it is possible to easily promote high output of the fiber laser.

本発明によれば、上記のように、高価な高出力用の光アイソレータを用いなくても、被加工物Wからの反射戻り光に対して装置内の全ての光源および光学部品を安全確実に保護できるので、加工用光ビームLBの出力を可及的に高くすることが可能であり、高品質、高性能のレーザ加工を実現することができる。   According to the present invention, as described above, all light sources and optical components in the apparatus can be safely and reliably protected against reflected return light from the workpiece W without using an expensive high-power optical isolator. Since it can be protected, the output of the processing light beam LB can be made as high as possible, and high-quality and high-performance laser processing can be realized.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above does not limit this invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention.

たとえば、図5に示すように、複数(たとえば2つ)のアクティブファイバ12,42をカスケード接続する構成を好適に採ることができる。   For example, as shown in FIG. 5, a configuration in which a plurality (for example, two) of active fibers 12 and 42 are cascade-connected can be suitably employed.

この場合、第1のアクティブファイバ12と第2のアクティブファイバ42との間に設けられる光結合器44は、複数の入力ポート44IN(1),44IN(2),44IN(3),・・と1つの出力ポート44OUTとを有している。第1の入力ポート44IN(1)には、第1のアクティブファイバ12の出力端が光アイソレータ21を介して接続される。第2および第3以降の入力ポート44N(2),20IN(3),・・には、アクティブファイバ42のコアを励起するための励起用LD46が接続される。出力ポート44OUTには、第2のアクティブファイバ42の入力端が接続される。   In this case, the optical coupler 44 provided between the first active fiber 12 and the second active fiber 42 includes a plurality of input ports 44IN (1), 44IN (2), 44IN (3),. And one output port 44OUT. The output end of the first active fiber 12 is connected to the first input port 44IN (1) via the optical isolator 21. An excitation LD 46 for exciting the core of the active fiber 42 is connected to the second and third and subsequent input ports 44N (2), 20IN (3),. The input port of the second active fiber 42 is connected to the output port 44OUT.

このような多段アンプの全利得は、第1のアクティブファイバ12(第1段アンプ)の利得と第2のアクティブファイバ42(第2段アンプ)の利得とを足し合わせたものになる。したがって、シードLD26の出力をたとえば300mW以下に低くしてもシード光を段階的に無理なく所要の高出力の光ビームに増幅変換することができる。そして、この場合も、第2のアクティブファイバ42の後段に設けられる第1の光フィルタ22、波長変換ファイバ14および第2の光フィルタ24により反射戻り光を確実に遮断して、第1段および第2段アンプの光源および光学部品を安全に保護することができる。   The total gain of such a multistage amplifier is the sum of the gain of the first active fiber 12 (first stage amplifier) and the gain of the second active fiber 42 (second stage amplifier). Therefore, even if the output of the seed LD 26 is lowered to, for example, 300 mW or less, the seed light can be amplified and converted into a required high output light beam without difficulty in a stepwise manner. Also in this case, the reflected light is reliably blocked by the first optical filter 22, the wavelength conversion fiber 14, and the second optical filter 24 provided at the subsequent stage of the second active fiber 42, and the first stage and The light source and optical components of the second stage amplifier can be safely protected.

なお、第1段アンプ12と第2段アンプ42との間に設けられる光アイソレータ21は、比較的低い(通常1kW以下の)ピークパワーを有する第1段増幅パルスの光ビームおよびその反射戻り光をそれぞれ順方向および逆方向の入射光とするので、小型・安価なもので済ますことかできる。   Note that the optical isolator 21 provided between the first stage amplifier 12 and the second stage amplifier 42 has a light beam of a first stage amplified pulse having a relatively low peak power (usually 1 kW or less) and its reflected return light. Are incident light in the forward and reverse directions, respectively, so that it can be small and inexpensive.

上記のように、本発明者が幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、上記実施形態のMOPA方式ファイバレーザ加工装置においては、上記のようにシード光の波長を1060nm近辺に選定するとともに、第2の光フィルタ24によって抽出するSRS光の波長を1080〜1300nmに選定し、かつ波長変換ファイバ14より出力されるSRS光の波長スペクトル特性を上記帯域(1080〜1300nm)に適合させることが、MOPA方式ファイバレーザ加工における反射戻り光の対策とレーザの高出力化とを最も効率的よく確実に両立させられる数値条件であることがわかった。しかし、他の数値範囲を選定することも可能である。   As described above, as a result of intensive studies by the inventor of the present invention, the MOPA fiber laser processing apparatus of the above embodiment selects the wavelength of the seed light in the vicinity of 1060 nm as described above. MOPA can select the wavelength of SRS light extracted by the optical filter 24 of No. 2 to 1080 to 1300 nm and adapt the wavelength spectrum characteristic of the SRS light output from the wavelength conversion fiber 14 to the band (1080 to 1300 nm). It was found that the numerical conditions were able to achieve the most efficient and reliable compatibility between countermeasures for reflected return light and high laser output in fiber laser processing. However, other numerical ranges can be selected.

また、波長変換用ファイバ14は、上記のように安価な一般の光伝送用の石英系ファイバを好適に使用できるが、誘導ラマン散乱に適した非線形性とパワー耐性を備えたものであれば非石英系ファイバであっても使用可能である。   As the wavelength conversion fiber 14, an inexpensive general silica fiber for optical transmission can be suitably used as described above. However, any non-linear fiber and non-linear power suitable for stimulated Raman scattering can be used. Even a silica fiber can be used.

本発明のファイバレーザ加工装置は、マーキング加工に限るものではなく、穴あけ、切断、溶接等の他のレーザ加工にも使用可能である。   The fiber laser processing apparatus of the present invention is not limited to marking processing, and can be used for other laser processing such as drilling, cutting, and welding.

10 シード光発生部
12,42 アクティブファイバ(増幅用光ファイバ)
14 波長変換ファィバ(波長変換用光ファイバ)
16 光ビーム照射部
20,44 光結合器
22 第1の光フィルタ
24 第1の光フィルタ
26 シードLD
30,46 ポンプLD
10 Seed light generator 12, 42 Active fiber (amplification optical fiber)
14 Wavelength conversion fiber (wavelength conversion optical fiber)
16 Light Beam Irradiation Unit 20, 44 Optical Coupler 22 First Optical Filter 24 First Optical Filter 26 Seed LD
30, 46 Pump LD

Claims (16)

シード光を発生するシード光発生部と、
希土類元素を添加したコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記シード光発生部および前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、
光学的に非線形なコアを有し、前記増幅用光ファイバより出力される前記シード光と同一波長の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、
前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、
前記増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第1の光フィルタと、
前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第2の光フィルタと
を有するMOPA方式ファイバレーザ加工装置。
A seed light generator for generating seed light;
Amplifying for amplification by stimulated emission, having a core added with a rare earth element, putting the seed light from the seed light generating part into the core from the input end, and propagating the seed light toward the output end Optical fiber,
An excitation light source for generating excitation light for exciting the core of the amplification optical fiber;
An optical coupler for optically coupling the seed light generator and the excitation light source to an input end of the amplification optical fiber;
An optically non-linear core is provided, and a light beam having the same wavelength as the seed light output from the amplification optical fiber is introduced as pump light into the core from the input end, and the pump light is directed to the output end. An optical fiber for wavelength conversion that generates stimulated Raman scattered light while propagating
A light beam irradiating unit for condensing and irradiating the workpiece with the stimulated Raman scattering light output from the wavelength conversion optical fiber as a processing laser beam;
A first optical filter provided between the amplification optical fiber and the wavelength conversion optical fiber and transmitting only the wavelength of the seed light;
A MOPA type fiber laser processing apparatus comprising: a second optical filter that is provided between the wavelength conversion optical fiber and the light beam irradiation unit and transmits only the wavelength of the stimulated Raman scattering light.
シード光を発生するシード光発生部と、
希土類元素を添加した第1のコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記第1のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅する第1の増幅用光ファイバと、
前記第1の増幅用光ファイバの第1のコアを励起するための第1の励起光を発生する第1の励起光源と、
前記シード光発生部および前記第1の励起光源を前記第1の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第1の光結合器と、
希土類元素を添加した第2のコアを有し、前記第1の増幅用光ファイバの出力端より出力される第1段増幅の光ビームを入力端より前記第2のコアの中に入れ、前記第1段増幅の光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅する第2の増幅用光ファイバと、
前記第2の増幅用光ファイバの第2のコアを励起するための第2の励起光を発生する第2の励起光源と、
前記第1の増幅用光ファイバの出力端および前記第2の励起光源を前記第2の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第2の光結合器と、
光学的に非線形なコアを有し、前記第2の増幅用光ファイバより出力される第2段増幅の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、
前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、
前記第2の増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第1の光フィルタと、
前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第2の光フィルタと
を有するMOPA方式ファイバレーザ加工装置。
A seed light generator for generating seed light;
A first core to which a rare earth element is added; and the seed light from the seed light generation unit is inserted into the first core from an input end and amplified by stimulated emission while propagating the seed light. 1 optical fiber for amplification;
A first excitation light source that generates first excitation light for exciting the first core of the first amplification optical fiber;
A first optical coupler that optically couples the seed light generator and the first excitation light source to an input end of the first amplification optical fiber;
A second core to which a rare earth element is added; and a first-stage amplified light beam output from an output end of the first amplification optical fiber is inserted into the second core from an input end; A second amplification optical fiber that amplifies by stimulated emission while propagating the first stage amplification light beam;
A second excitation light source for generating second excitation light for exciting the second core of the second amplification optical fiber;
A second optical coupler for optically coupling the output end of the first amplification optical fiber and the second excitation light source to the input end of the second amplification optical fiber;
An optically nonlinear core is provided, and a second stage amplification light beam output from the second amplification optical fiber is input as pump light into the core from the input end, and the pump light is output to the output end. An optical fiber for wavelength conversion that generates stimulated Raman scattered light while propagating toward the
A light beam irradiating unit for condensing and irradiating the workpiece with the stimulated Raman scattering light output from the wavelength conversion optical fiber as a processing laser beam;
A first optical filter that is provided between the second amplification optical fiber and the wavelength conversion optical fiber and transmits only the wavelength of the seed light;
A MOPA type fiber laser processing apparatus comprising: a second optical filter that is provided between the wavelength conversion optical fiber and the light beam irradiation unit and transmits only the wavelength of the stimulated Raman scattering light.
前記シード光発生部が、シード用のレーザダイオードを有し、前記シード用レーザダイオードを駆動してスペクトルの中心波長が1060nm付近にあるシード光を発生する、請求項1または請求項2に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   3. The seed light generation unit according to claim 1, wherein the seed light generation unit includes a seed laser diode, and drives the seed laser diode to generate seed light having a center wavelength of a spectrum near 1060 nm. MOPA fiber laser processing equipment. 前記第2の光フィルタの透過帯域は1080〜1300nmである、請求項3に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   4. The MOPA fiber laser processing apparatus according to claim 3, wherein a transmission band of the second optical filter is 1080 to 1300 nm. 前記ポンプ光のパワーは10kW以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   The MOPA system fiber laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the power of the pump light is 10 kW or more. 前記ポンプ光のパワーは20kW以上である、請求項5に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   The MOPA fiber laser processing apparatus according to claim 5, wherein the power of the pump light is 20 kW or more. 前記波長変換用光ファイバは、石英系ファイバである、請求項1〜6のいずれか一項に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   The MOPA type fiber laser processing apparatus according to claim 1, wherein the wavelength conversion optical fiber is a silica-based fiber. 前記波長変換用光ファイバは、添加物を含まない純石英系ファイバである、請求項7に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   The MOPA system fiber laser processing apparatus according to claim 7, wherein the wavelength conversion optical fiber is a pure silica-based fiber not containing an additive. 前記波長変換用光ファイバのコア径はφ20〜40μmである、請求項1〜8のいずれか一項に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   The MOPA type fiber laser processing apparatus according to claim 1, wherein a core diameter of the wavelength conversion optical fiber is φ20 to 40 μm. 前記波長変換用光ファイバの全長は2〜10mである、請求項1〜9のいずれか一項に記載のMOPA方式ファイバレーザ加工装置。   10. The MOPA fiber laser processing apparatus according to claim 1, wherein an overall length of the wavelength conversion optical fiber is 2 to 10 m. レーザダイオードを用いてスペクトルの中心波長が1060nm付近にあるシード光を生成する工程と、
前記シード光を励起光と一緒に増幅用光ファイバのコアの中を伝搬させながら誘導放出により増幅する工程と、
前記増幅用光ファイバより出力された光の中から、第1の光フィルタを用いて前記第1のシード光と同じ波長を有する光ビームをポンプ光として抽出する工程と、
前記ポンプ光を光学的に非線形なコアを有する波長変換用光ファイバに導入して、前記波長変換用光ファイバ内で誘導ラマン散乱光を生成する工程と、
前記波長変換用光ファイバより出力された光の中から、第2の光フィルタを用いて前記誘導ラマン散乱光の1080〜1300nmの波長成分を加工用レーザ光として抽出する工程と、
所与の被加工物に前記加工用レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を施す工程と
を有するレーザ加工方法。
Generating seed light having a center wavelength of spectrum near 1060 nm using a laser diode;
Amplifying the seed light by stimulated emission while propagating through the core of the amplification optical fiber together with the excitation light;
Extracting a light beam having the same wavelength as the first seed light from the light output from the amplification optical fiber as a pump light using a first optical filter;
Introducing the pump light into a wavelength conversion optical fiber having an optically nonlinear core, and generating stimulated Raman scattering light in the wavelength conversion optical fiber;
Extracting a wavelength component of 1080 to 1300 nm of the stimulated Raman scattering light as processing laser light from the light output from the wavelength conversion optical fiber using a second optical filter;
A laser processing method comprising: condensing and irradiating a given workpiece with the processing laser beam to perform desired laser processing.
前記波長変換用光ファイバより出力される誘導ラマン散乱光のスペクトル特性が1080〜1300nmの帯域に適合するように、前記波長変換用光ファイバのコア径および全長ならびに前記ポンプ光の出力を選定する、請求項11に記載のレーザ加工方法。   Selecting the core diameter and the total length of the wavelength conversion optical fiber and the output of the pump light so that the spectral characteristics of the stimulated Raman scattering light output from the wavelength conversion optical fiber is suitable for a band of 1080 to 1300 nm; The laser processing method according to claim 11. 前記波長変換用光ファイバのコア径はφ20〜40μmである、請求項12に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 12, wherein the wavelength conversion optical fiber has a core diameter of φ20 to 40 μm. 前記波長変換用光ファイバの全長は2〜10mである、請求項12または請求項13に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 12 or 13, wherein the wavelength conversion optical fiber has a total length of 2 to 10 m. 前記ポンプ光のパワーは10kW以上である、請求項11〜14のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 11, wherein the power of the pump light is 10 kW or more. 前記ポンプ光のパワーは20kW以上である、請求項15に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 15, wherein the power of the pump light is 20 kW or more.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103166101A (en) * 2013-02-05 2013-06-19 西安邮电大学 Wave length converter based on stimulated raman scattering and method
JP2016086119A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 株式会社フジクラ Fiber laser device
JP2016180844A (en) * 2015-03-24 2016-10-13 株式会社フジクラ Fiber laser device
JP2016186536A (en) * 2015-03-27 2016-10-27 株式会社フジクラ Fiber laser apparatus
WO2019077851A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 株式会社フジクラ Fiber laser system and method
WO2019225174A1 (en) * 2018-05-25 2019-11-28 株式会社アマダホールディングス Processing head
WO2022180969A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 株式会社フジクラ Fiber laser
WO2022239435A1 (en) * 2021-05-14 2022-11-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Luminescent system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004337970A (en) * 2003-03-14 2004-12-02 Sunx Ltd Laser marking device
JP2008532323A (en) * 2005-03-04 2008-08-14 コーニング インコーポレイテッド Pulse cascade Raman laser
WO2009001852A1 (en) * 2007-06-27 2008-12-31 Fujikura Ltd. Fiber laser having excellent reflected light resistance
JP2009535666A (en) * 2006-04-28 2009-10-01 コーニング インコーポレイテッド Pulsed UV and visible Raman laser system
JP2009544049A (en) * 2006-07-11 2009-12-10 モビアス フォトニクス, インク. Method of controlling light source having precisely controlled wavelength conversion average output, and wavelength conversion system
WO2010073645A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 株式会社フジクラ Fiber laser apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004337970A (en) * 2003-03-14 2004-12-02 Sunx Ltd Laser marking device
JP2008532323A (en) * 2005-03-04 2008-08-14 コーニング インコーポレイテッド Pulse cascade Raman laser
JP2009535666A (en) * 2006-04-28 2009-10-01 コーニング インコーポレイテッド Pulsed UV and visible Raman laser system
JP2009544049A (en) * 2006-07-11 2009-12-10 モビアス フォトニクス, インク. Method of controlling light source having precisely controlled wavelength conversion average output, and wavelength conversion system
WO2009001852A1 (en) * 2007-06-27 2008-12-31 Fujikura Ltd. Fiber laser having excellent reflected light resistance
WO2010073645A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 株式会社フジクラ Fiber laser apparatus

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103166101A (en) * 2013-02-05 2013-06-19 西安邮电大学 Wave length converter based on stimulated raman scattering and method
JP2016086119A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 株式会社フジクラ Fiber laser device
KR101780866B1 (en) * 2014-10-28 2017-09-21 가부시끼가이샤 후지꾸라 Fiber laser device
JP2016180844A (en) * 2015-03-24 2016-10-13 株式会社フジクラ Fiber laser device
JP2016186536A (en) * 2015-03-27 2016-10-27 株式会社フジクラ Fiber laser apparatus
WO2019077851A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 株式会社フジクラ Fiber laser system and method
JP2019079849A (en) * 2017-10-20 2019-05-23 株式会社フジクラ Fiber laser system, method, and manufacturing method
WO2019225174A1 (en) * 2018-05-25 2019-11-28 株式会社アマダホールディングス Processing head
WO2022180969A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 株式会社フジクラ Fiber laser
WO2022239435A1 (en) * 2021-05-14 2022-11-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Luminescent system

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