JP4360638B2 - パルス光源装置 - Google Patents

Description

この発明は、希土類光ファイバを用いて信号光パルス列を増幅出力するパルス光源装置に関するものである。

従来から、被マーキング対象物表面上に所望のマーキングを行うレーザマーキング装置がある。このレーザマーキング装置は、ＹＡＧレーザなどの増幅手段を用いて信号光パルス列を増幅し、この増幅された増幅光パルス列を照射することによってマーキング処理を行っていた。ここで、ＹＡＧレーザなどの増幅手段を用いると、装置全体が大型化し、しかも光学系が複雑でありメンテナンス性が悪いため、Ｙｂなどの希土類が添加された光ファイバを増幅媒体とし、これによって装置全体を小型かつ簡易な構成としたレーザマーキング装置がある。

特許第３４１１８５２号明細書

ところで、上述した従来のレーザマーキング装置は、いずれの増幅手段を用いても、マーキング時は一定の励起状態が維持されるため、安定した増幅光パルス列を出力することができるが、休止期間においても増幅媒体は励起用レーザによってマーキング時と同じ励起が続けられており、しかも誘導放出を行っていないため、高い励起状態となり、マーキング処理を再開する場合、増幅光パルス列のうちの始めの１以上の光パルス出力が極端に大きな値となって出力してしまう。このため、従来のレーザマーキング装置では、常に安定した増幅光パルス列を出力することができず、品質の高いマーキングを行うことができなかった。

すなわち、レーザマーキングなどのように連続する増幅光パルス列出力のオン、オフを繰り返す場合であってオフの期間が長くなる場合、このオフの期間であってもレーザ媒質の励起が連続して行われてエネルギーが極端に蓄積されるため、増幅光パルス列の最初の光パルスの出力をその後の光パルス列と同様に制御することができないという問題点があった。

なお、このマーキング処理の品質低下をなくすために、マーキングの休止期間においては、励起光を低パワーのものに切替えることによって、小さな値の信号光を出力し続け、レーザ媒質の励起状態を安定化させて増幅光パルス列の最初の光パルスが大きな出力とならないようにしたレーザマーキング装置がある（特許文献１参照）。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した増幅光パルス列を出力することができるパルス光源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるパルス光源装置は、電気連続パルス列を発生するパルス発生手段と、前記電気連続パルス列を信号光パルス列として光出力する光源と、希土類添加光ファイバを用いて前記信号光パルス列を増幅出力する増幅手段と、を備え、前記パルス発生手段は、前記電気連続パルス列を発生する際、前記増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列のうちの始めの１以上の増幅光パルスが所定値以下の光出力となるように該１以上の増幅光パルスに対応する前記電気連続パルス列のうちの始めの１以上の電気パルスの出力を低くする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、上記の発明において、前記パルス発生手段は、前記１以上の電気パルス以外の電気パルスの幅に比して前記１以上の電気パルスの幅を広くする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、電気連続パルス列を発生するパルス発生手段と、前記電気連続パルス列を信号光パルス列として光出力する光源と、希土類添加光ファイバを用いて前記信号光パルス列を増幅出力する増幅手段と、を備え、前記パルス発生手段は、前記電気連続パルス列の休止期間、前記増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列が所定値以下の光出力となるように該電気連続パルス列に比して小さく、かつパルス幅が広い電気パルスを連続して出力する制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、電気連続パルス列を発生するパルス発生手段と、前記電気連続パルス列を信号光パルス列として光出力する光源と、希土類添加光ファイバを用いて前記信号光パルス列を増幅出力する増幅手段と、を備え、前記パルス発生手段は、前記連続パルス列を発生する際、前記増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列のうちの始めの１以上の増幅光パルスが所定値以下の光出力となるように該１以上の増幅光パルスに対応する前記電気連続パルス列のうちの始めの１以上の電気パルスのパルス期間のパルス周波数を、該１以上の電気パルスのパルス期間以外のパルス期間のパルス周波数に比して高くする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、上記の発明において、前記パルス発生手段は、前記電気連続パルス列の休止期間、該電気連続パルス列のパルス周波数に比して高いパルス周波数のパルス列を連続出力する制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、上記の発明において、前記パルス発生手段は、前記高いパルス周波数のパルス出力を他のパルス出力に比して小さくする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、電気連続パルス列を発生するパルス発生手段と、前記電気連続パルス列を信号光パルス列として光出力する光源と、前記光源から出力された信号光パルス列の出力を可変減衰する減衰手段と、希土類添加光ファイバを用いて前記減衰手段から出力された信号光パルス列を増幅出力する増幅手段と、を備え、前記パルス発生手段は、前記電気連続パルス列を発生する際、前記増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列のうちの始めの１以上の増幅光パルスが所定値以下の光出力となるように該１以上の増幅光パルスに対応する前記光源からの信号光パルス列のうちの始めの１以上の信号光パルスの出力を低くする制御を前記減衰手段に対して行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルス光源装置は、上記の発明において、前記増幅手段は、多段接続された複数の増幅器であることを特徴とする。

この発明にかかるパルス光源装置では、パルス発生手段が、電気連続パルス列を発生する際、増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列のうちの始めの１以上の増幅光パルスが所定値以下の光出力となるように該１以上の増幅光パルスに対応する電気連続パルス列のうちの始めの１以上の電気パルスの出力を低くする制御を行い、所定値を越えない範囲で休止期間における大きな励起エネルギーの蓄積を掃き出し、これによって安定した増幅光パルス列を出力することができるパルス光源装置を得ることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態であるパルス光源装置について説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１であるパルス光源装置の構成を示す図である。図１において、このパルス光源装置１は、レーザマーキング装置の光源として用いられ、パルス発生回路１１から入力された電気パルス列をレーザ光の連続光パルス列として出力する光源１０と、この光源１０から出力された連続光パルス列を増幅する第１段増幅部１２と、第１段増幅部１２が増幅した連続光パルス列をさらに増幅して出力端１６から出力する第２段増幅部１３とを有する。なお、光源１０と第１段増幅部１２との間および第１段増幅部１２と第２段増幅部１３との間には、アイソレータ１４，１５がそれぞれ配置される。また、アイソレータ１５とともに、第１段増幅部１２で発生した自然放出（ＡＳＥ）光をカットし、パルス光源装置１で発生した波長のみ透過させるバンドパスフィルタを設けてもよい。

パルス発生回路１１は、上述した電気パルス列を光源１０に出力する。パルス発生回路１１は、制御部２１を有し、制御部２１は、電気パルス列の最初のパルスおよび２番目のパルスの出力値をその後の３番目以降のパルスの出力値に比して小さい値にして出力する制御を行う。この最初のパルスおよび２番目のパルスの出力値は、最終的に第２段増幅部１３から増幅出力される連続光パルス列の最初のパルスおよび２番目のパルスの光出力値が所定値Ｐth以下となるように制御される。この所定値Ｐthを越える光出力値は、レーザマーキングが行われる値であり、所定値Ｐth以下の光出力値ではレーザマーキングを行うことができない。

光源１０は、信号用ＬＤ（レーザダイオード）２２と波長選択素子として機能するＦＢＧ２３とを有し、信号用ＬＤには上述した電気パルス列が入力され、この電気パルス列によって直接変調された光パルス列がＦＢＧ２３から出力される。なお、ＦＢＧ２３から出力される光パルスの波長は、１０８０ｎｍである。

第１段増幅部１２は、アイソレータ１４を介して入力された光パルス列を、増幅用ファイバ２４を用いて増幅出力する。増幅用ファイバ２４は、シングルモードファイバであり、コアにはイットリビウム（Ｙｂ）などの希土類が添加されている。増幅用ファイバ２４にはＷＤＭカプラ２６を介してＹｂを励起状態にする励起用ＬＤ２５が接続され、９１５ｎｍまたは９７５ｎｍのレーザ光が入力される。Ｙｂは、９１５ｎｍおよび９７５ｎｍの遷移があり、１０８０ｎｍの蛍光を発するが１０８０ｎｍの信号光の入力によって誘導放出を行うことができる。

第２段増幅部１３は、アイソレータ１５を介して第１段増幅部１２から入力された光パルス列を、ダブルクラッド増幅用ファイバ２７を用いてさらに増幅出力する。ダブルクラッド増幅用ファイバ２７には、増幅用ファイバ２４と同様にＹｂが添加され、光合波器として機能するＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）３０を介してＹｂを励起状態にする励起用ＬＤ群２８が接続され、９１５ｎｍまたは９７５ｎｍのレーザ光が入力される。励起用ＬＤ群２８は、励起用ＬＤ２５と同じ複数の励起用ＬＤ２９を有する。なお、励起用ＬＤ２５および複数の励起用ＬＤ２９は、電流一定制御部３１によって注入電流が一定に制御され、常に一定の励起用レーザ光が増幅用ファイバ２４あるいはダブルクラッド増幅用ファイバ２７に出力する。また、第１段増幅部１２および第２段増幅部１３を用いて信号光パルス列を多段増幅するのは、大きな増幅を得るためであり、励起用ＬＤ２５および励起用ＬＤ群２８の励起レーザ光出力は、増幅対象の信号光パルス列の光出力に対応させた適切な出力に設定され、自然放出光によるノイズの発生を抑え、ＳＮ比を高めている。具体的には、光源１０から出力される信号光パルス列の出力は数ｍＷであり、この信号光パルス列を第１段増幅部１２によって数１００ｍＷまで増幅し、さらに第２段増幅部１３によって数Ｗ〜数１０ｋＷまで増幅する。

ダブルクラッド増幅用ファイバ２７は、図２および図３に示すように、シングルモードのコア２７ａの半径方向にコアとしても機能するクラッド２７ｂを有し、さらにこのクラッド２７ｂの半径方向に被覆としても機能するクラッド２７ｃを有する。コア２７ａには上述した１０８０ｎｍの信号光パルス列が伝搬し、コア２７ａおよびクラッド２７ｂには、上述した励起用ＬＤ２９から入力される９１５ｎｍまたは９７５ｎｍの励起用レーザ光が伝搬する。したがって、励起用レーザ光がコア２７ａを横切るときにコア２７ａ内のＹｂが励起状態になる。

なお、ＴＦＢ３０は、図４に示すように、ダブルクラッド増幅用ファイバ２７に、複数の励起用ＬＤ２９を接続するファイバＬ１を低損失で溶融接続したものである。

ここで、図１の下部に示すように、パルス発生回路１１が、最初および２番目の電気パルスＰ１を、破線で示すように３番目以降の電気パルス列と同じ出力で光源１０に入力すると、出力端１６から出力される光パルス列の最初および２番目の光パルスＰ２は、３番目以降の安定した光パルスの出力に比して大きな光出力となってしまう。このような３番目以降の光パルス列の出力と異なる出力の大きな光パルスが出力されると、レーザマーキングのスポットにムラができ、レーザマーキングの品質が低下することになる。

この実施の形態１では、制御部２１が、最初および２番目の電気パルスＰ１の出力を、３番目以降の電気パルスの出力に比して小さくするように制御し、出力端１６から出力される増幅光パルス列の最初および２番目の光パルスＰ２の出力を、レーザマーキングが行えない閾値Ｐth以下にするとともに、この光パルスＰ２の消費によって増幅用ファイバ２４およびダブルクラッド増幅用ファイバ２７の励起状態を、３番目以降の光パルス発振時（マーキング時）と同じ励起状態に戻すようにしている。すなわち、光パルスＰ２の出力によって極端に蓄えられた励起エネルギーを掃き出すようにし、３番目以降の光パルスが安定した光出力となるようにしている。なお、この蓄えられる励起エネルギーは、添加される希土類の蛍光寿命によって変化する。

なお、図１に示したパルス光源装置１では、制御部２１が電気パルス列の最初および２番目のパルスの出力値を低くするように制御していたが、これに限らず、図５に示しように、休止期間のパルスＰ３のパルス幅をマーキング時のパルス幅に比して広げるようにし、増幅光パルスＰ４を閾値Ｐth以下にしてもよい。この場合における休止期間およびマーキング時のパルス消費エネルギーは同じにし、周期も同じにしている。この結果、常に同じ励起エネルギーが使用されることになるので、マーキング時に、最初の光パルスから安定した光パルスを出力することができる。

また、図６に示すように、休止期間のパルス周波数をマーキング時のパルス周波数に比して高くなるようにしている。これにより、休止期間におけるパルス間で励起されるエネルギーが減少するので増幅光パルスの出力は閾値Ｐth以下となり、しかもマーキング初期において極端な励起エネルギーが蓄積されることなくなるので、安定した増幅光出力を直ちに得ることができる。この場合、休止期間のパルス周波数および出力値を適切に設定することによって、休止期間における光パルスを確実に閾値Ｐth以下に設定することができる。

なお、図５および図６では、休止期間全体に電気パルス列を生成するようにしていたが、これに限らず、マーキング直前の最初および２番目の増幅光パルスのみを制御するようにしてもよい。さらに、上述した実施の形態１では、最初および２番目の増幅光パルスのみを制御対象としたが、これに限らず、最初のみ増幅光パルス、あるいは最初の３つ以上の増幅光パルスを制御対象としてもよい。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、電気パルス列を制御するようにしていたが、この実施の形態２では、電気制御パルス列はそのままにして、信号光パルス列を制御対象としている。

図７は、この発明の実施の形態２であるパルス光源装置の構成を示す図である。図７において、このパルス光源装置２は、光源１０とアイソレータ１４との間に可変減衰器４０を挿入し、この可変源衰器４０を制御する制御部４２を有するパルス発生回路４１を、パルス発生回路１１に替えて設けている。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

パルス発生回路４１は、出力値および周期が同じ電気パルス列を光源１０にそのまま出力するが、制御部４２は、可変減衰器４０を制御して、この電気パルス列の最初および２番目のパルスに対応する信号光パルス列の最初および２番目の光パルスを減衰させてアイソレータ１４に出力する。この可変減衰器４０の減衰量は、増幅光パルスの出力値が閾値Ｐth以下となるように調整される。

この実施の形態２では、可変減衰器４０の減衰量を制御することによって、電気パルス列を制御して得られた信号光パルス列と同じ信号光パルス列を出力することができ、実施の形態１と同様に大きな励起エネルギーの蓄積によって生じる極端に大きな増幅光パルスが発生を抑制し、安定した増幅光パルス列を増幅出力することができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、レーザマーキング装置を例として述べたが、これに限らず、たとえば歯科や美容のシミとりなどを含む医療装置用のパルス光源装置として適用することができる。また、スポット加工や樹脂加工などの加工用のパルス光源装置として適用することができる。

このように、本発明によるパルス光源装置を医療装置として適用する場合は、所定値Ｐthを照射対象物やその組織を変質させる値以下に設定することによって、本発明の効果を得ることができる。また、スポット加工や樹脂加工に適用する場合は、所定値Ｐthを照射対象物に物理的変形を与える値以下としたり、当該対象物の組成に一定の変化を引き起こす値以下に設定することにより、本発明の効果を得ることができる。以上のように、所定値Ｐthを、用途ごとに設定される照射対象物への作用が実質的に発生しない所定のレベルにすることによって、種々の用途において本発明による効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１にかかるパルス光源装置の構成を示す図である。 ダブルクラッド増幅用ファイバの断面図である。 ダブルクラッド増幅用ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 ＴＦＢの構成を示す説明図である。 休止期間にパルス幅を広くする変形例を示す説明図である。 休止期間のパルス周波数を高くする変形例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２にかかるパルス光源装置の構成を示す図である。

符号の説明

１，２ パルス光源装置
１０ 光源
１１，４１ パルス発生回路
１２ 第１段増幅部
１３ 第２段増幅部
１４，１５ アイソレータ
１６ 出力端
２１，４２ 制御部
２２ 信号用ＬＤ
２３ ＦＢＧ
２４ 増幅用ファイバ
２５，２９ 励起用ＬＤ
２６ ＷＤＭカプラ
２７ ダブルクラッド増幅用ファイバ
２８ 励起用ＬＤ群
３０ ＴＦＢ
３１ 電流一定制御部

Claims (3)

1. 電気連続パルス列を発生するパルス発生手段と、
   前記電気連続パルス列を信号光パルス列として光出力する光源と、
   希土類添加光ファイバを用いて前記信号光パルス列を増幅出力する増幅手段と、
   を備え、
   前記パルス発生手段は、前記連続パルス列を発生する際、前記増幅手段から増幅出力される増幅光パルス列のうちの始めの１以上の増幅光パルスが所定値以下の光出力となるように該１以上の増幅光パルスに対応する前記電気連続パルス列のうちの始めの１以上の電気パルスのパルス期間のパルスを、該１以上の電気パルスのパルス期間以外のパルス期間のパルスに比して、パルス出力およびパルス幅を同一にしつつパルス周波数を高くする制御を行うことを特徴とするパルス光源装置。
2. 前記パルス発生手段は、前記電気連続パルス列の休止期間、該電気連続パルス列のパルスに比して、パルス出力およびパルス幅は同一でありパルス周波数が高いパルス列を連続出力する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源装置。
3. 前記増幅手段は、多段接続された複数の増幅器であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス光源装置。

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