JP2013201328A - ファイバ増幅装置とそのスペクトル幅を調整する方法及び該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムとその光損失を低減する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ増幅器での誘導ブリルアン散乱の発生を低減させるとともに、波長変換素子の変換可能スペクトル幅に対応する適切なスペクトル幅のパルスレーザ光を生成するファイバ増幅装置と、そのスペクトル幅を調整する方法、及び該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムと、その光損失を低減する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ発振器と、レーザ発振器で生成されたレーザ光を増幅するファイバ増幅器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光が入射されるようにレーザ発振器とファイバ増幅器との間の光路に配置されたスペクトル幅調整ファイバと、を備え、スペクトル幅調整ファイバのコア径は、ファイバ増幅器を構成するファイバのコア径以下であるファイバ増幅装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバ増幅装置とファイバ増幅装置から出射するレーザ光のスペクトル幅を調整する方法、及び、該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムと該レーザ加工システムの光損失を低減する方法に関する。

従来、光ファイバを利用するレーザ光照射装置やレーザ光制御装置、レーザ加工システムは、アモルファスシリコンや多結晶シリコンから大粒径の結晶化シリコンを生成する半導体結晶化装置や、各種アニーリング装置、レーザアブレーション装置、レジスト露光装置、金属加工・溶接・切断装置等種々の微細加工に幅広く用いられている。

例えば、下記特許文献１には、可視光を生成するためのファイバ増幅システムに関する発明が記載されている。特許文献１において、光源は、パルスレーザと、該パルスレーザに光学的に接続されたファイバ増幅器と、該ファイバ増幅器に光学的に接続された非線形周波数変換素子とを備えることが開示されている。

また、パルスレーザ、例えばパッシブＱスイッチレーザーは、約１．７ｎｓｅｃ未満の短いパルス長さであることを特徴とするパルス状のレーザ光を、十分な大きさで生成するように構成され、ファイバ増幅器から出射した後の光パルスの周波数帯域幅は、非線形周波数変換素子の変換可能な帯域幅未満であることが記載されている。

また、レーザ光は十分に大きなパルス数となるようにパルス化され、ファイバ増幅器はパルス間において自然放出光を放射しないこと、及び、そのような光の出射環境下では、ファイバ増幅器は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）が本質的には生じないことが記載されている。

また、上記のような出射環境下では自己位相変調（ＳＰＭ：Self-phase Modulation）は、赤外線から可視光線への波長変換効率を低減しない。そのような光源は、画像投影システムでのイメージ・ジェネレーターおよびスキャナと結合できることが開示されている。

図８は、特許文献１の発明の実施例として開示される従来のファイバ増幅器システム１０を説明する図である。図８に示すように、ファイバ増幅器システム１０は、パッシブＱスイッチレーザー（ＰＱＳＬ）１２、ファイバ増幅器１４および非線形周波数変換素子６０を備える。

また、パッシブＱスイッチレーザー（ＰＱＳＬ）１２は、メインパルス３６の一次ビーム３４を生成する。メインパルス３６は約１．７ｎｓｅｃ未満のパルス幅であり、かつ、非線形周波数変換素子６０において周波数変換を遂行するために十分な大きさの、典型的には約１００ピコセカンドより大きな、パルス幅を有する。

また、パッシブＱスイッチレーザー（ＰＱＳＬ）１２は、好ましくは十分に大きな繰返しレート（例えば約１００ｋＨｚ以上）でパルスを生成する。また、ファイバ増幅器システム１０は、パッシブＱスイッチレーザー（ＰＱＳＬ）１２をポンプするためのＰＱＳＬポンプ光２０を生成するＰＱＳＬポンプソース１６を備える。

図８に示す特許文献１の実施例では、ＰＱＳＬポンプソース１６は波長調整機構１８を装備したレーザとして示されている。このようなレーザは、連続（ＣＷ：Continuous Wave）光ビームの形をしているＰＱＳＬポンプ光２０を伝達することを企図するものであることが示されている。

また、多様な種類のレーザが、ＰＱＳＬポンプソース１６として適用可能である。例えば、７５０ｎｍから１１００ｎｍの範囲内のＰＱＳＬポンプ光２０を放出するダイオード・レーザーを使用することができる。また、これらのダイオード・レーザーのパワーレベルは、１００ｍＷから４０００ｍＷの間とすることができることが記載されている。

図８に示すように、レンズ２２を介したレーザ光は、入射カプラ２４とパッシブＱスイッチ３２とゲインメディアム（Gain Medium）３０と出射カプラ２８とからなるキャビティ２６を有するパッシブＱスイッチレーザー（ＰＱＳＬ）１２を経由し、さらにレンズ４８を介してビームコンバイナ４４に到達する。

また、ビームコンバイナ４４においては、ファイバーポンプソース３８から出射されたファイバーポンプ光４０が、レンズ４２を介してパルス状の一次ビーム３４と併合される。また、短い長さ”Ｄ”を有するファイバ増幅器１４のクラッド４６にファイバーポンプ光４０が入射（in-coupled）され、ファイバ増幅器１４のコア５０に一次ビーム３４が入射（in-coupled）される。

さらに、レンズ５６でパルス状の中間ビーム５２に調整されたレーザ光は、この実施例ではミラーであるビームガイドエレメント５８により、中間パルス光５４として非線形周波数変換素子６０へ入射されるようにガイドされる。なお、非線形周波数変換素子６０からの出力ビーム６２を構成する一パルスは、符号６４として図８に示されている。

米国特許７０３９０７６（Ｂ２）号公報

近年、レーザ光を用いたアプリケーションの拡大に伴い、さらなる極短パルス化かつ高出力化（高ピークパワー化）が求められている。このため、レーザの高出力化等に伴うファイバ増幅器での誘導ブリルアン散乱が生じる懸念はさらに増大している。一方、誘導ブリルアン散乱を低減するためにファイバ増幅器のコア径を増大させると増幅率が低減されることとなるので、所望の利得を得るためには比較的小さなコア径を維持せざるを得ず、誘導ブリルアン散乱を低減させるための従来のアプローチには限界が生じていた。

また、レーザ光の高出力化の一環として波長変換素子での変換効率を向上させるためには、波長変換素子での変換可能スペクトル幅の範囲内に収まるような狭スペクトル幅のレーザ光であることが好ましい。しかし、所望の光エネルギーを確保する観点から、スペクトル幅を狭くすればピーク光強度が増大し、これに起因してファイバ増幅器での誘導ブリルアン散乱が生じる懸念が増大することとなる。ここで、特許文献１は、パルスレーザ光のパルス幅をファイバ材料のフォノン寿命である１０ｎｓより十分短くすることで、誘導ブリルアン散乱を抑制している。

本発明は、上述した問題点に鑑み為された発明であって、パルスレーザ光のパルス幅に制限を設けることなくファイバ増幅器での誘導ブリルアン散乱の発生を低減させるとともに、波長変換素子の変換可能スペクトル幅に対応する適切なスペクトル幅のパルスレーザ光を生成するファイバ増幅装置と、そのスペクトル幅を調整する方法、及び該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムと、その光損失を低減する方法を提供することを目的とする。

本発明のファイバ増幅装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器で生成されたレーザ光を増幅するファイバ増幅器と、レーザ発振器から出射されたレーザ光が入射されるようにレーザ発振器とファイバ増幅器との間の光路に配置されたスペクトル幅調整ファイバと、を備え、スペクトル幅調整ファイバのコア径は、ファイバ増幅器を構成するファイバのコア径以下であることを特徴とする。
また、前記スペクトル幅の調整を行うためにコア径を所定の値とする。前記スペクトル幅を調整するために能動素子や電子回路を用いない受動素子のみで構成する。スペクトル幅を広げるためにコア径を小さくする。スペクトル幅を調整するために帰還制御を行わない。

また、本発明のファイバ増幅装置は、好ましくはレーザ発振器から出射されてスペクトル幅調整ファイバに入射されるレーザ光が、縦シングルモード光であることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはレーザ発振器が、ＮｄがドープされたＹＶＯ_４を含むレーザ媒質を備えることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはレーザ発振器が、マイクロチップレーザとして構成されることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、自己位相変調により、入射されたレーザ光のスペクトル幅を広げることを特徴とする。
また、自己位相変調はスペクトル幅調整ファイバのコア径が小さくなるに従い強く発生する傾向にある。自己位相変調のように電子回路などの能動素子を用いず、帰還制御を必要としない構成でのスペクトル幅調整方法である。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、シングルモードファイバであることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、マルチモードファイバであることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはマルチモードファイバが、コイル状に巻回されることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、直線偏光を出射する偏波面保持ファイバであることを特徴とする。
また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくは偏波面保持ファイバが、コイル状に巻回されることを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが希土類イオンを含有することを特徴とする。

また、本発明のファイバ増幅装置は、さらに好ましくは希土類イオンが、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｈｏの少なくともいずれか一つであることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、上述のいずれかに記載のファイバ増幅装置と、ファイバ増幅装置の出射光を波長変換する波長変換素子とを備えることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、好ましくは波長変換素子が、ＫＴＰ結晶、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＫＤＰ結晶、ＢｉＢＯ結晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶のいずれか一つを含むことを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、さらに好ましくは波長変換素子から出射される可視光または紫外光を加工に用いることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバからファイバ増幅器へ入射される入射光が、ファイバ増幅器における誘導ブリルアン散乱の発生が抑制されるような入射光であることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、波長変換素子における波長変換効率が、スペクトル幅調整ファイバを介さない場合に比較して、低下しないようなレーザ光のスペクトル幅とする、長さであることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムは、さらに好ましくはスペクトル幅調整ファイバが、波長変換素子に入射されるレーザ光のスペクトルの半値幅を波長変換素子の変換可能スペクトル幅以下とするような、長さであることを特徴とする。

また、本発明のスペクトル幅を調整する方法は、上述のいずれかに記載のファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を調整する方法であって、ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げる場合に、スペクトル幅調整ファイバの長さをより長いものとする工程と、ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を狭める場合に、スペクトル幅調整ファイバの長さをより短いものとする工程と、を有することを特徴とする。
本発明のファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を調整する方法は、上述のいずれかに記載のファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を調整する方法であって、ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げる場合に、スペクトル幅調整ファイバのコア径をより小さくする工程と、ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を狭める場合に、スペクトル幅調整ファイバのコア径をより大きくする工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工システムの光損失を低減する方法は、上述のいずれかに記載のレーザ加工システムの光損失を低減する方法であって、スペクトル幅調整ファイバの長さをより長いものとしてファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることにより、または、スペクトル幅調整ファイバの長さをより短いものとしてファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を狭めることにより、波長変換素子に入射されるレーザ光のスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）を、波長変換素子の変換可能スペクトル幅以下とする工程を有することを特徴とする。

ファイバ増幅器での誘導ブリルアン散乱の発生を低減させつつ波長変換素子に対応する適切なスペクトル幅のパルスレーザ光を生成するファイバ増幅装置と、そのスペクトル幅を調整する方法、及び、該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムと、その光損失を低減する方法を提供できる。

本実施形態で説明するレーザ加工システムの構成概要を説明するブロック図である。 波長変換素子における入射レーザ光のスペクトル形状と変換可能スペクトル幅Δλとの関係を説明する図であり、（ａ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子の変換可能スペクトル幅Δλの範囲内に全て含まれる場合を説明する図であり、（ｂ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子の変換可能スペクトル幅Δλからある程度逸脱する場合を説明する図であり、（ｃ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子の変換可能スペクトル幅Δλの範囲内から相当大きく逸脱する場合について説明する図である。 波長変換素子に入射される最も好ましいスペクトル幅のレーザ光について、半値全幅（ＦＷＨＭ）と変換可能スペクトル幅Δλとの関係を説明する図である。 本実施形態で説明するレーザ加工システムのスペクトル幅調整について説明するフローチャート図である。 第二の実施形態にかかるレーザ加工装置２０００について構成概要を説明するブロック図である。 レーザ加工システムの全体構成の概要を説明するブロック図である。 ファイバ増幅器のみでスペクトル幅調整ファイバを設けない場合と、比較的短いスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、中程度の長さのスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、比較的長いスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、の各々について、横軸に増幅出力をとり縦軸に誘導ブリルアン散乱をとったグラフで説明する図である。 特許文献１の発明の実施例として開示される従来のファイバ増幅器システムを説明する図である。

本実施形態で説明するレーザ加工装置は、ファイバ増幅器における光増幅時に誘導ブリルアン散乱が生じないように、スペクトル幅を所望程度広げるスペクトル幅調整ファイバを設ける。

また、本実施形態で説明するレーザ加工装置は、レーザ光を生成する出射側のミラーとしてグレーティングミラー（回折格子）を用いて、スペクトル幅調整ファイバに入射されるレーザ光を縦シングルモードとする。

スペクトル幅調整ファイバは、その長さが比較的長ければレーザ光のスペクトル幅はより広げられることとなり、その長さが比較的短ければレーザ光のスペクトル幅はあまり広げられない。

すなわち、スペクトル幅調整ファイバの長さを適切に選択・変更し、また適切に設計することにより、その後のファイバ増幅器で誘導ブリルアン散乱が生じない程度にまで、レーザ光のスペクトル幅を適宜拡大させることが可能となる。また、本実施形態ではスペクトル幅調整ファイバのコア径は、ファイバ増幅器のコア径よりも小さいものを用いた。

また、仮に、スペクトル幅調整ファイバの長さを長くしすぎてスペクトル幅が過度に拡大されると、波長変換素子における変換可能スペクトル幅、すなわち有効に波長変換が遂行される帯域幅から逸脱する光が増大する。このような光エネルギーは、レーザ加工に利用されることはなく波長変換素子で廃棄等されることとなり、高効率化の観点及び省エネルギーの観点からは好ましくない。

このため、スペクトル幅調整ファイバの長さは、ファイバ増幅器で誘導ブリルアン散乱が生じない程度にまで長くするとともに、波長変換素子における変換可能スペクトル幅と整合する程度にまで短くするものとする。また、仮に、両条件を満足する最適長さが存在しない場合には、スペクトル幅調整ファイバの長さを両条件のバランスをとって中間値としてもよい。

また、波長変換素子における変換可能スペクトル幅と整合する程度のレーザ光とは、好ましくは波長変換素子に入射されるレーザ光の半値全幅の値が、当該波長変換素子の変換可能スペクトル幅以下となるものであって、典型的には両幅が一致する場合をいうものとする。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態で説明するレーザ加工システム１０００の構成概要を説明するブロック図である。図１に示すように、レーザ加工システム１０００は、ファイバ増幅装置１１００と波長変換素子１２００とを備え、波長変換素子１２００から出射される第２高調波（ＳＨＧ）、第３高調波（ＴＨＧ）または第４高調波（ＦＨＧ）等の短波長化されたパルスレーザ光が、加工対象物に照射されて任意の加工が遂行される。

また、ファイバ増幅装置１１００はレーザ発振器１１３５を備え、レーザ発振器１１３５は、第一のミラー１１１０とレーザ媒質１１２０とＱスイッチ１１２５とグレーティングミラー１１３０と、を備える。また、ファイバ増幅装置１１００は、レーザ発振器１１３５から出射された縦シングルモードのレーザ光が入射されるスペクトル幅調整ファイバ１１４０と、ファイバ増幅器１１５０とを備える。

図１において、レーザ発振器１１３５は、マイクロチップレーザ（ＭＣＬ）として構成されてもよい。また、スペクトル幅調整ファイバ１１４０のコア径は、ファイバ増幅器１１５０のコア径よりも小さいものとする。例えば、スペクトル幅調整ファイバ１１４０のコア径は１０ミクロンとし、ファイバ増幅器１１５０のコア径は２５ミクロンとしてもよい。

スペクトル幅調整ファイバ１１４０は、シングルモードファイバを用いてもよくマルチモードファイバを用いてもよく偏波面保持ファイバを用いてもよいが、使用するレーザ光に対応して適切なファイバを用いるものとする。また、いわゆるヒューモードファイバを用いてもよい。ヒューモードファイバは、少ないモード数の光を出射するのでその後の光制御が安定し好ましい。

また、スペクトル幅調整ファイバ１１４０としてマルチモードファイバ、または偏波面保持ファイバを用いる場合には、高次モードを低減させるために巻回することが好ましい。また、スペクトル幅調整ファイバ１１４０として偏波面保持ファイバを用いる場合には、これにより直線偏光を得ることができるので、その後波長変換素子１２００における波長変換を効率的に遂行できる観点から好ましい。仮に、ランダム偏光を用いる場合には、波長変換素子１２００での波長変換効率が向上される程度は直線偏光の場合に比較して大きくない。

また、スペクトル幅調整ファイバ１１４０には、希土類イオン、例えばＮｄ（ネオジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）等を含有していても良い。

また、波長変換素子１２００は、例えばＬＢＯ結晶から構成される場合には、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光を、５３３ｎｍや３５５ｎｍへと短波長化することが可能である。

ファイバ増幅器１１５０を構成するファイバは、一般にコア径が大きいほど誘導ブリルアン散乱が生じ難くなる一方、コア径が大きければ増幅率が低下する。このため、所望の増幅利得を実現するために、ファイバ増幅器１１５０のコア径は一定程度以下のコア径とせざるを得ないという制約が生じるので、誘導ブリルアン散乱の低減とのトレードオフの関係となる。

本実施形態のレーザ加工システム１０００は、上述のように所望の増幅利得を実現するために一定程度以下のコア径とされたファイバ増幅器１１５０である場合においても、増幅されるレーザ光のスペクトル幅を、スペクトル幅調整ファイバ１１４０で誘導ブリルアン散乱の発生を低減させるように拡大させることができる。

また、増幅されたレーザ光のスペクトル幅を、スペクトル幅調整ファイバ１１４０で、波長変換素子１２００での変換可能スペクトル幅に適合するように調整する。このため、本実施形態のレーザ加工システム１０００は、誘導ブリルアン散乱の発生を低廉に抑制することと、高い波長変換効率を実現することとのバランスを高い次元で適切にとることができるので、極めて有用かつ現実的なシステムとなる。

また、レーザ媒質１１２０は、例えばＮｄがドープされたＹＶＯ_４から構成してもよい。また、波長変換素子１２００から出射される高調波のレーザ光平均出力は、例えば数十乃至１００Ｗ程度であってもよく、このような光出力パルスレーザ光により、加工対象物を熱加工し、またはアブレーション等の非加熱加工としてもよい。

図２は、波長変換素子１２００における入射レーザ光のスペクトル形状と変換可能スペクトル幅Δλとの関係を説明する図であり、（ａ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅Δλの範囲内に全て含まれる場合を説明する図であり、（ｂ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅Δλからある程度逸脱する場合を説明する図であり、（ｃ）が入射レーザ光のスペクトル幅が波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅Δλの範囲内から相当大きく逸脱する場合について説明する図である。

図２においてハッチングで示す部分が、波長変換素子１２００で現実に波長変換される光であり、ハッチングされない逸脱部分については波長変換素子１２００で波長変換されることはなく、従ってレーザ加工に寄与することなく廃棄される光である。

図２から理解できるように、ハッチング部分の比率を可能な限り大きくする（ａ）のようなスペクトル形状のレーザ光を生成して波長変換素子１２００に入射させることが、変換効率を増大させる観点からは好ましい。

一方、過度に狭いスペクトル幅のレーザ光は、レーザ増幅器１１５０での誘導ブリルアン散乱を招来することとなる。このため、両者のバランスの観点から大凡図２（ｂ）で示す程度のスペクトル幅を生成し入射させることが、現実には好ましい。

この点において、本実施形態で示すファイバ増幅装置１１００は、適切なスペクトル幅を生成することができるスペクトル幅調整ファイバ１１４０を備えるので、好ましい。

図３は、波長変換素子１２００に入射される最も好ましいスペクトル幅のレーザ光について、半値全幅（ＦＷＨＭ）と変換可能スペクトル幅Δλとの関係を説明する図である。

図３に説明するように、波長変換素子１２００に入射されるレーザ光のスペクトル幅は、その半値全幅（ＦＷＨＭ）が変換可能スペクトル幅Δλ以下となるように、スペクトル幅調整ファイバ１１４０により調整されることが好ましい。変換可能スペクトル幅Δλは、例えば０．１ｎｍ程度である。

図４は、本実施形態で説明するレーザ加工システム１０００のスペクトル幅調整について説明するフローチャート図である。以下、図４に示す各ステップに基づいて、レーザ加工システム１０００のスペクトル幅調整工程について順次説明する。

（ステップＳ４１０）
オペレータは、ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じているか否かについて確認する。ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じている場合にはステップＳ４２０へと進み、ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じていない場合にはステップＳ４３０へと進む。

ここで、図１には示していないが、ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じているか否かを確認するためのモニター機器を、ファイバ増幅器１１５０の出射コネクタ付近に設けてもよい。また、該モニター機器は、例えば画像解析ソフトを利用して、誘導ブリルアン散乱の発生有無を自動的に判定し、オペレータに通知する構成としてもよい。また、該モニター機器は、ファイバ増幅装置１１００に設けることができる。

（ステップＳ４２０）
オペレータは、スペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さを長いものと交換する。ここで、スペクトル幅調整ファイバ１１４０は、そのコア径や長さやモード等種々のものを交換可能なカートリッジ方式とし、このようなカートリッジ方式のファイバ増幅装置１１００を構成してもよい。スペクトル幅調整ファイバ１１４０をカートリッジ方式としておけば、コネクタの着脱が容易となり、該カートリッジの着脱・差し替えのみで比較的容易に短時間でスペクトル幅調整ファイバ１１４０を所望の長さ等のものに交換可能となるので好ましい。このステップが終了すれば、ステップＳ４１０へと戻り、ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じなくなるまで継続する。

（ステップＳ４３０）
オペレータは、波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下であるか否かを確認する。波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下である場合には、このフローを終了する。また、波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下でなければステップＳ４４０へと進む。

ここで、波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下であるか否かの判断は、上述したモニター機器が、所定の判別プログラムに基づいて判断してもよい。また、該モニター機器が、波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下ではないと判断した場合には、オペレータに通知する構成としてもよい。

（ステップＳ４４０）
オペレータは、スペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さを短いものと交換する。ここで、スペクトル幅調整ファイバ１１４０は、上述したように、そのコア径や長さやモード等種々のものを交換可能なカートリッジ方式とし、カートリッジ方式のファイバ増幅装置１１００を構成してもよい。

スペクトル幅調整ファイバ１１４０をカートリッジ方式としておけば、コネクタの着脱が容易となり、該カートリッジの着脱・差し替えのみで比較的容易に短時間でスペクトル幅調整ファイバ１１４０を所望のより短いものに交換可能となるので好ましい。このステップが終了すれば、ステップＳ４３０へと戻り、波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下になるまで継続する。

また、図４においては、「ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じないスペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さ」が「波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下となるスペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さ」より小さい場合、すなわち二つの条件を共に充足する長さが存在する場合について説明した。

しかし、例えば、「ファイバ増幅器１１５０で誘導ブリルアン散乱が生じないスペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さ」が「波長変換素子１２００への入射光のスペクトルの半値全幅が、該波長変換素子１２００の変換可能スペクトル幅以下となるスペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さ」より大きい場合、すなわち二つの条件を共に充足する長さが存在しない場合には、その間の中間値をスペクトル幅調整ファイバ１１４０の長さとして採用してもよい。さらに、この場合には、コア径やモード種類等が異なる他のスペクトル幅調整ファイバ１１４０へとカートリッジ交換し、より適切なスペクトル幅となるように調整してもよい。

（第二の実施形態）
図５は、第二の実施形態にかかるレーザ加工装置２０００について構成概要を説明するブロック図である。図５から理解できるように、レーザ加工システム２０００は、ファイバ増幅装置２１００と波長変換素子２２００とを備え、波長変換素子２２００から出射される第３高調波（ＴＨＧ）または第４高調波（ＦＨＧ）等の短波長化された高調波パルスレーザ光が、加工対象物に照射されて加工が遂行される。

また、ファイバ増幅装置２１００はレーザ発振器２１３５を備え、レーザ発振器２１３５は、第一のミラー２１１０とレーザ媒質２１２０とＱスイッチ２１２５とグレーティングミラー２１３０と、を備える。また、ファイバ増幅装置２１００は、レーザ発振器２１３５から出射された縦シングルモードのレーザ光を増幅するアンプ群２１６０と、スペクトル幅調整ファイバ２１４０と、ファイバ増幅器２１５０とを備える。

図５において、第一のミラー２１１０とレーザ媒質２１２０とＱスイッチ２１２５とグレーティングミラー２１３０とは、マイクロチップレーザ（ＭＣＬ）として構成されてもよい。また、その平均出力は、例えば数ミリワット乃至数ワット程度であってもよい。

また、スペクトル幅調整ファイバ２１４０のコア径は、ファイバ増幅器２１５０のコア径よりも小さいものが望ましい。典型例として、スペクトル幅調整ファイバ２１４０のコア径は１０ミクロンとし、ファイバ増幅器２１５０のコア径は２５ミクロンとしてもよい。

スペクトル幅調整ファイバ２１４０は、シングルモードファイバを用いてもよくマルチモードファイバを用いてもよく偏波面保持ファイバを用いてもよいが、使用するレーザ光に対応して適切なファイバを用いるものとする。また、いわゆるヒューモードファイバを用いてもよい。

また、スペクトル幅調整ファイバ２１４０としてマルチモードファイバ、または偏波面保持ファイバを用いる場合には、高次モードを低減させるために巻回することが好ましい。また、スペクトル幅調整ファイバ２１４０として偏波面保持ファイバを用いる場合には、これにより直線偏光を得ることができるので、その後波長変換素子２２００における波長変換を効率的に遂行できる観点から好ましい。仮に、ランダム偏光を用いる場合には、波長変換素子２２００における波長変換効率の向上は、直線偏光に比較して劣るものとなる。

また、スペクトル幅調整ファイバ１１４０には、希土類イオンがドープされることが好ましく、例えばＮｄ（ネオジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）等を含有することが好ましい。

また、波長変換素子１２００は、例えばＬＢＯ結晶から構成されてもよく、この場合には１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光を、５３３ｎｍや３５５ｎｍへと短波長化することが可能である。

ファイバ増幅器２１５０を構成するファイバは、一般にコア径が大きいほど誘導ブリルアン散乱が生じ難くなる一方、コア径が大きければ増幅率が低下する。このため、所望の増幅利得を確保するためには、ファイバ増幅器２１５０のコア径は一定程度以下のコア径とせざるを得ないという制約が生じる。

本実施形態のレーザ加工システム２０００は、上述のように所望の増幅利得を実現するために一定程度以下のコア径とされたファイバ増幅器２１５０である場合においても、励起されたレーザ光のスペクトル幅を、スペクトル幅調整ファイバ２１４０で誘導ブリルアン散乱の発生を低減させるように拡大させることができる。

また、励起されたレーザ光のスペクトル幅を、スペクトル幅調整ファイバ２１４０で、波長変換素子２２００での変換可能スペクトル幅に適合するように調整する。このため、本実施形態のレーザ加工システム２０００は、誘導ブリルアン散乱の発生を低廉に抑制することと、高い波長変換効率を実現することとのバランスを高い次元で適切にとることができ、極めて有用かつ現実的なシステムとなる。

また、レーザ媒質２１２０は、例えばＮｄがドープされたＹＶＯ_４から構成してもよい。また、波長変換素子２２００から出射される高調波のレーザ光出力は、例えば数十乃至１００Ｗ程度であってもよく、このような光出力パルスレーザ光により、加工対象物を熱加工し、またはアブレーション等の非加熱加工してもよい。

第二の実施形態で示すレーザ加工システム２０００は、アンプ群２１６０で光を増幅させるので、例えばマイクロチップ化されたレーザ媒質２１２０とＱスイッチ２１２５及び一対のミラー２１１０，２１３０等の光出力を小さくすることができ、該マイクロチップを小型化・軽量化できる点で好ましい。

また、レーザ加工システム２０００は、アンプ群２１６０で増幅されて光ピーク強度が増大する等により、比較的誘導ブリルアン散乱が生じやすくなったレーザ光についても、適切にスペクトル幅を調整可能なスペクトル幅調整ファイバ２１４０を備えるので、該散乱を低減させかつ変換効率を高く維持するような適切なスペクトルを生成して利用することが可能である。

ここで、スペクトル幅調整ファイバ１１４０，２１４０の効果についてデータを示して説明する。図７は、ファイバ増幅器のみでスペクトル幅調整ファイバを設けない場合と、比較的短いスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、中程度の長さのスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、比較的長いスペクトル幅調整ファイバを設けた場合と、の各々について、横軸に増幅出力をとり縦軸に誘導ブリルアン散乱をとったグラフで説明する図である。

図７から理解できるように、スペクトル幅調整ファイバを設けた場合には、設けない場合よりも、同一の増幅出力の場合でも誘導ブリルアン散乱が生じ難く、また、より長いスペクトル幅調整ファイバを設けたほうが、より誘導ブリルアン散乱がより生じ難くなっていることが理解できる。

図６は、レーザ加工システム６０００の全体構成の概要を説明するブロック図である。図６に示すようにレーザ加工システム６０００は、商用電源６０１０から電力供給を受けてレーザ光を生成して増幅した上で出力する上述した実施形態のファイバ増幅装置１１００と、ファイバ増幅装置１１００で生成されたレーザ光を所望の加工位置近傍まで伝達する光ファイバ６０３０と、光ファイバ６０３０から伝達されたレーザ光を、被加工物の加工に適した光へと調整する光制御装置６０４０と、光制御装置６０４０から出射された光によりスクライブや溶接等所望の加工をされる被加工物６０５０を搭載するＸ−Ｙステージ６０６０とを備える。

ファイバ増幅装置１１００は、気体レーザ発振器であってもよく、半導体レーザ等の固体レーザ発振器であってもよく任意のレーザ光源で構成することができる。光制御装置６０４０は、被加工物６０５０の材質や形状・厚み・加工内容等に応じて、適切な加工が可能となるように出射する光の照射パターンを変更し、または照射パターン内の各光束の光強度を任意に調整して出力することが可能である。また好ましくは光制御装置６０４０が、光の照射パターンの変更と該照射パターン内の各光束の相対的な光強度とを共に任意に変更しまたは制御することが可能である。

上述の実施形態で説明したファイバ増幅装置１１００等は、実施形態での例示に限定されるものではなく、自明な範囲で適宜その構成や材料を変更し、自明な範囲で適宜その方法を変更することが可能である。

本実施形態で説明するファイバ増幅装置と該ファイバ増幅装置を備えるレーザ加工システムとは、種々のレーザ光装置やレーザ光装置を構成する各種光デバイス、光変調装置等に適用でき、光ファイバを用いる多様なアプリケーションに広く応用展開することができる。

１０００・・レーザ加工システム、１１００・・ファイバ増幅装置、１１１０・・第一のミラー、１１２０・・レーザ媒質、１１３０・・グレーティングミラー、１１４０・・スペクトル幅調整ファイバ、１１５０・・ファイバ増幅器、１２００・・波長変換素子。

Claims (20)

1. レーザ発振器と、前記レーザ発振器で生成されたレーザ光を増幅するファイバ増幅器と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が入射されるように前記レーザ発振器と前記ファイバ増幅器との間の光路に配置されたスペクトル幅調整ファイバと、を備え、
   前記スペクトル幅調整ファイバのコア径は、前記ファイバ増幅器を構成するファイバのコア径以下である
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
2. 請求項１に記載のファイバ増幅装置において、
   前記レーザ発振器から出射されて前記スペクトル幅調整ファイバに入射されるレーザ光は、縦シングルモード光である
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のファイバ増幅装置において、
   前記レーザ発振器は、ＮｄがドープされたＹＶＯ_４を含むレーザ媒質を備える
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
   前記レーザ発振器は、マイクロチップレーザとして構成される
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
   前記スペクトル幅調整ファイバは、自己位相変調により、入射された前記レーザ光のスペクトル幅を広げる
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
   前記スペクトル幅調整ファイバは、シングルモードファイバである
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
   前記スペクトル幅調整ファイバは、マルチモードファイバである
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
8. 請求項７に記載のファイバ増幅装置において、
   前記マルチモードファイバは、コイル状に巻回される
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
9. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
   前記スペクトル幅調整ファイバは、直線偏光を出射する偏波面保持ファイバである
   ことを特徴とするファイバ増幅装置。
10. 請求項９に記載のファイバ増幅装置において、
    前記偏波面保持ファイバは、コイル状に巻回される
    ことを特徴とするファイバ増幅装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置において、
    前記スペクトル幅調整ファイバは希土類イオンを含有する
    ことを特徴とするファイバ増幅装置。
12. 請求項１１に記載のファイバ増幅装置において、
    前記希土類イオンは、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｈｏの少なくともいずれか一つである
    ことを特徴とするファイバ増幅装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置と、前記ファイバ増幅装置の出射光を波長変換する波長変換素子と、を備える
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
14. 請求項１３に記載のレーザ加工システムにおいて、
    前記波長変換素子は、ＫＴＰ結晶、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＫＤＰ結晶、ＢｉＢＯ結晶、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶のいずれか一つを含む
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
15. 請求項１３または請求項１４に記載のレーザ加工システムにおいて、
    前記波長変換素子から出射される可視光または紫外光を加工に用いる
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
16. 請求項１３乃至請求項１５のいずれか一項に記載のレーザ加工システムにおいて、
    前記スペクトル幅調整ファイバから前記ファイバ増幅器へ入射される入射光は、前記ファイバ増幅器における誘導ブリルアン散乱の発生が抑制されるような入射光である
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
17. 請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項に記載のレーザ加工システムにおいて、
    前記スペクトル幅調整ファイバは、前記波長変換素子における波長変換効率が、前記前記スペクトル幅調整ファイバを介さない場合に比較して、低下しないような前記レーザ光のスペクトル幅とする、長さである
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
18. 請求項１７に記載のレーザ加工システムにおいて、
    前記スペクトル幅調整ファイバは、前記波長変換素子に入射されるレーザ光のスペクトルの半値幅を前記波長変換素子の変換可能スペクトル幅以下とするような、長さである
    ことを特徴とするレーザ加工システム。
19. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を調整する方法であって、
    前記ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げる場合に、前記スペクトル幅調整ファイバの長さをより長いものとする工程と、
    前記ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を狭める場合に、前記スペクトル幅調整ファイバの長さをより短いものとする工程と、を有する
    ことを特徴とするファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を調整する方法。
20. 請求項１３乃至請求項１８のいずれか一項に記載のレーザ加工システムの光損失を低減する方法であって、
    前記スペクトル幅調整ファイバの長さをより長いものとして前記ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることにより、または、前記スペクトル幅調整ファイバの長さをより短いものとして前記ファイバ増幅装置から出射されるレーザ光のスペクトル幅を狭めることにより、
    前記波長変換素子に入射されるレーザ光のスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）を、前記波長変換素子の変換可能スペクトル幅以下とする工程を有する
    ことを特徴とするレーザ加工システムの光損失を低減する方法。
    
    

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