JP4869738B2

JP4869738B2 - ファイバレーザの出力安定化方法及びファイバレーザ

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Publication number: JP4869738B2
Application number: JP2006056061A
Authority: JP
Inventors: 和大北林; 道弘中居; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: JP2007234943A

Description

本発明は、ファイバレーザのパルス出力を安定化させる方法及び安定なパルス出力が可能なファイバレーザに関する。

レーザ光は、加工機や医療機器、測定器など様々な分野で利用されるようになってきた。加工機の分野においてはレーザが集光性に優れパワー密度の高い大変小さなビームスポットが得られるために精密加工が可能なこと、また、非接触加工であり、かつレーザ光の吸収可能な硬い物質への加工も可能であることから、急速に用途が拡大している。
このような分野において、連続光レーザは出力パワーが数ｋＷ以上のもの、パルスレーザも尖頭値がｋＷ以上のものがあるが、加工性能のよさなどからパルスレーザが利用されることが多い。従来より炭酸ガスレーザや固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザなど）が使用されており、加工の種類（溶接、切断、マーキング、穴開けなど）や加工対象の材質などによって適当な出力を有するレーザが選択されている。また、希土類添加光ファイバをレーザ媒質としたファイバレーザは、従来の固体レーザに比べて高効率で装置がコンパクトにでき、レーザ発振媒質と伝播媒質が同じにできるといった特徴を有していることから、出力も非常に高出力なｋＷ級のファイバレーザなども開発されている。

近年、特に性能の向上が著しいのが固体レーザである。図１に代表的な固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）の構成を示す。
図１において符号１０はレーザ発振器であり、このレーザ発振器１０は、励起用レーザダイオード（以下、ＬＤと記す）１１と、集光レンズ１２と、リヤミラー１３と、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶（以下、ＹＡＧ結晶と記す）１４と、Ｑスイッチ（ＡＯ）素子１５と、出力ミラー１６とから構成されている。ここでは、励起用ＬＤ１１からの励起光が集光レンズ１２によってＹＡＧ結晶端面に集光される端面励起方式を採用しており、出力ミラー１５とリヤミラー１３間で共振器が構成される。
上記構成において、ＬＤ１１からの励起光によってＹＡＧ結晶１４を励起すると、ＹＡＧ結晶１４内のＮｄ^３＋イオンが励起状態となり、自然放出光を発生する。このとき、Ｑスイッチ素子１５が低損失状態であればＹＡＧ結晶１４から放出された自然放出光はＹＡＧ結晶１４内で増幅されながらリヤミラー１３、出力ミラー１６間を往復することでレーザ発振し、その一部が連続光のレーザ光１８として外部に取り出されることになる。すなわちＱスイッチ素子１５がレーザをＯＮ／ＯＦＦするスイッチのような役割を果たす。
一方、Ｑスイッチ素子１５が周期的に低損失状態と高損失状態を繰り返すようにした場合には、Ｑスイッチ素子１５が高損失状態の時には自然放出光を発生するのみでレーザ発振はせず、励起エネルギーがＹＡＧ結晶１４内に蓄積された状態となる。この状態でＱスイッチ素子１５を低損失状態にすると、ＹＡＧ結晶１４内に蓄積されたエネルギーが一気にレーザ出力として放出される。すなわちＱスイッチ素子１５が高損失状態の時にはレーザ光１８は出力されず、Ｑスイッチ素子１５が低損失状態の時にレーザ光が出力され、パルス状の出力が得られる。このパルス出力によって加工が行われる。

前述したように、Ｑスイッチ素子１５のＯＮ／ＯＦＦでレーザ光のＯＮ／ＯＦＦが行われるようなレーザにおいては、Ｑスイッチ素子１５が周期的に低損失状態（ＯＮ）と高損失状態（ＯＦＦ）を繰り返すような定常状態となっている場合（図２（ａ）参照）には、Ｑスイッチ素子１５が高損失状態の間にＹＡＧ結晶１４内に蓄積されるエネルギーはいつも一定であり、安定したパルス出力が得られる。
しかし、前述のような一定期間よりも長い時間、Ｑスイッチ素子１５が高損失状態となり、その後再び低損失状態となるような場合には、定常状態の場合よりも多くのエネルギーがＹＡＧ結晶内に蓄積されるため、低損失状態となった直後のパルスは非常に高い尖頭値のパルスが出力される（図２（ｂ）参照）。
すなわち、パルス出力が安定しない問題があり、特に加工開始時にレーザをＯＮにした後、最初に出力されるパルス（ファーストパルス）においてこの問題が顕著になり、加工品質を低下させる要因となっている。
この問題を解決する方法として、例えば、特許文献１〜３に開示されているような方法が提案されている。
特許第２９１９１３９号公報特許第３１３２５５５号公報特許第２８８５２０９号公報

特許文献１に開示された方法では、レーザ出力がＯＮになった瞬間には加工エリア外にレーザが照射され、その後レーザ光を加工対象物に影響ないスピードで走査し、レーザ光が安定するタイミングで加工開始地点へと照射するものである。
しかし、照射される各パルスごとに加工対象物にマーキングが施されるのであるから、いかなる高速で走査しようともレーザ光が照射された場所には点状の加工が施されることになる。さらに高速でレーザ光が走査されている状態から、加工可能な速度まで減速する必要があり、マーキング開始時のマーキングの均一性に問題がある。また、レーザ共振器からの出力自体はファーストパルスを有するため根本的な解決とはならない。

特許文献２に開示された方法では、共振器内に偏波ビームスプリッタを配置して偏波の直交する２つのビームに分波後、各偏波毎に共振器を構成し、片方の偏波のビームのみを出力として取り出すようになっている。レーザを出力しないときには出力として取り出されるビームと直交した偏波のビームをレーザ発振させておくことで、レーザ媒質が過剰に励起される状態をなくし、ファーストパルスを抑制するものである。
しかし、この方法では共振器を偏波毎に構成するために、部品が多く必要となり、装置が大型になり、コストも高くなるといった問題がある。また、片方の偏波しかレーザ出力として取り出さないため効率が悪い。

特許文献３に開示された方法では、十分な励起時間が取れる場合にはファーストパルスの問題は発生しないことから、レーザ媒質にレーザ上準位の蛍光寿命が短い物質を選択することでより高い周波数までファーストパルスが発生しないレーザを構成したものである。
しかし、蛍光寿命よりも短い周期でパルス発振させる場合は、ファーストパルスが発生してしまう。レーザ加工などの分野では、処理速度が非常に重要となるため、より高い周波数で動作可能な方がよいが、ここに開示されている方法を用いても１０ｋＨｚ程度の周波数までしか対応できない。

さらに、前述した従来技術は、レーザ共振器が空間伝播系で構成される固体レーザでの解決法を示したものであり、光学系を全て光ファイバおよび光ファイバ用光部品を用いることで、光部品内部を除いては空間をレーザ光や励起光が伝播することがないファイバレーザを構成した場合には、前述のような方法を採用することは難しい。すなわち、ファイバレーザにおいてファーストパルスの問題を解決する方法を見出すことが重要である。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、ファイバレーザにおいてファーストパルスの問題を解決する方法及び該方法によってファーストパルスを生じ難いファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、種光となるパルス光を発生する種光パルス光源と、該種光パルス光源の出力端に接続され種光パルスを増幅して出力する光ファイバ増幅器とからなるファイバレーザのパルス出力を安定化させる方法であって、種光パルス光源から安定な出力パルスが出力されるようになった後に、光ファイバ増幅器の励起を開始するまでの遅延時間を変化させることによって、ファイバレーザから出力されるパルスの尖頭値を安定化することを特徴とするファイバレーザの出力安定化方法を提供する。

また、本発明は、種光となるパルス光を発生する種光パルス光源と、該種光パルス光源の出力端に接続され種光パルスを増幅して出力する光ファイバ増幅器とからなるファイバレーザであって、種光パルス光源から安定な出力パルスが出力されるようになってから、光ファイバ増幅器の励起を開始するまでの遅延時間を変化させてファイバレーザから出力されるパルスの尖頭値を安定化させる遅延時間調整手段を有するファイバレーザを提供する。

本発明のファイバレーザにおいて、種光パルス光源がＱスイッチによってパルス発振しているパルスレーザ光源であることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、パルスレーザ光源は、少なくとも励起光源と、ＷＤＭカプラと、希土類添加光ファイバと、出力カプラと、Ｑスイッチ素子とを有してなり、ＷＤＭカプラ、希土類添加光ファイバ、出力カプラ及びＱスイッチ素子がリング状に接続されてなるファイバリングレーザであることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、Ｑスイッチ素子が音響光学素子であることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、Ｑスイッチ素子が可変光減衰器であることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、ファイバリングレーザ内に、レーザ出力の波長を固定するバンドパスフィルタが設けられていることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、光ファイバ増幅器は少なくともマルチポートカプラと、励起光源と、希土類添加ダブルクラッドファイバとを有してなることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、パルスレーザ光源の希土類添加光ファイバのコア及び光ファイバ増幅器の希土類添加ダブルクラッドファイバのコアに添加されている希土類イオンがＹｂであることが好ましい。

本発明によれば、ファイバレーザのパルス出力を安定化させることができ、加工品質を低下させることがない高性能なファイバレーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３は、本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。本実施形態のファイバレーザ３００は、全光ファイバ型のファイバレーザであり、ファイバリングレーザ３１０と、光ファイバ増幅器３２０と、段間アイソレータ３３０と、出力コリメータ３４０とから構成されている。

このファイバリングレーザ３１０は、励起光源３０１と、励起光とレーザ光を合波するＷＤＭカプラ３０２と、利得媒質であるＹｂ添加光ファイバ３０３と、アイソレータ３０４と、バンドパスフィルタ３０６と、ＡＯＭ３０７と、出力カプラ３０５とから構成されている。励起光源３０１から出射された励起光は、ＷＤＭカプラ３０２を介してＹｂ添加光ファイバ３０３へと入射される。本実施形態では、利得媒質としてＹｂ添加光ファイバを用いているので、励起光源３０１は波長９７６ｎｍでレーザ発振する半導体レーザを使用した。また、Ｙｂ添加光ファイバ３０３はコア径６．８μｍ、Ｙｂ添加量１８００ｐｐｍのものを使用した。

Ｙｂ添加光ファイバ３０３に入射した励起光は、Ｙｂ添加光ファイバ３０３のコアに添加されたＹｂイオンに吸収され、Ｙｂイオンは励起状態となる。励起状態となったＹｂイオンは、およそ１０５０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長の自然放出光を放出し、この自然放出光は増幅されながらＹｂ添加光ファイバ３０３のコア内を伝播し、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）として出力される。

このファイバリングレーザ３１０において、ＷＤＭカプラ３０２、Ｙｂ添加光ファイバ３０３、アイソレータ３０４、出力カプラ３０５、バンドパスフィルタ３０６及びＡＯＭ３０７は、リング状に接続されている。Ｙｂ添加光ファイバ３０３から出力されたＡＳＥは、アイソレータ３０４を通過し、出力カプラ３０５へ入射する。出力カプラ３０５に入射したＡＳＥの一部はリング外へと放出されるが、残部はバンドパスフィルタ３０６へと入射する。バンドパスフィルタ３０６は特定の波長の光を透過する特性を有し、本実施形態で使用したバンドパスフィルタ３０６は、波長１０６４ｎｍの光を透過する。したがって、バンドパスフィルタ３０６に入射したＡＳＥのうち、波長が１０６４ｎｍの成分のみが透過し、そのほかの波長成分は遮断される。バンドパスフィルタ３０６を通過したＡＳＥは、ＡＯＭ３０７、ＷＤＭカプラ３０２を通過して再びＹｂ添加光ファイバ３０３で増幅される。このとき、周回してきたＡＳＥがＹｂ添加光ファイバ３０３で受ける利得が、周回した際に受ける損失よりも大きい場合はレーザ発振し、その一部が出力カプラ３０５を介してレーザ光として出力される。ＡＯＭ３０７を低損失な状態と高損失な状態を周期的に繰り返すように動作させればパルス発振し、パルス状のレーザ出力が得られる。

なお、本実施形態において、励起光源３０１としては発振波長が９７６ｎｍの半導体レーザを使用しているが、励起波長はこれに限定されるものではなく、Ｙｂ添加光ファイバに添加されているＹｂイオンの吸収波長域であればよいので、およそ９００ｎｍ〜１０００ｎｍの励起光であれば利用可能であり、特に、吸収量が大きいことから、波長９１５ｎｍ、９７６ｎｍ近傍を励起波長とするのが好ましい。

さらに、希土類添加光ファイバに添加されている希土類イオンはＹｂに限られるものではなく、他の希土類イオンであってもよい。その場合にも、添加されている希土類イオンの吸収波長域に応じた励起波長が選択される。

上記光ファイバ増幅器３２０は、励起光源３２１と、マルチポートカプラ３２２と、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３と、出力アイソレータ３２４とからなっている。マルチポートカプラ３２２は、コア直径１０５μｍ、クラッド外径１２５μｍのマルチモードファイバからなる励起ポートを６本と、コア直径６．４μｍ、クラッド外径１２５μｍのシングルモードファイバからなる信号ポートとを有しており、各励起ポートには励起光源３２１が接続され、信号ポートにはファイバリングレーザ３１０のレーザ出力が入力されるように段間アイソレータ３３０が接続されている。出力ポートは、コア径２０μｍ、第１クラッド径４００μｍ、第２クラッド径４４０μｍのダブルクラッドファイバであり、励起光源３２１より励起ポートに入力された励起光は出力ポートの第１クラッドへと出力され、信号ポートに入力されたレーザ光は出力ポートのコアへと出力される。

マルチポートカプラ３２２の出力端には、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３が接続されている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３は、コアの周囲に設けられた第１クラッドと第１クラッドの周りに設けられた第２クラッドと、第２クラッドの周囲に設けられた被覆樹脂層からなるダブルクラッド構造を有しており、コアにはＹｂイオンがおよそ３０００ｐｐｍの濃度で添加されている。マルチポートカプラ３２２とＹｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３とは、マルチポートカプラ３２２の出力ポートのコアから出力されるレーザ光がＹｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３のコアに、マルチポートカプラ３２２の出力ポートの第１クラッドから出力される励起光がＹｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３の第１クラッドに入射するように接続されている。

Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ３２３の第１クラッドに入射された励起光は、第１クラッド内をコアを横切りながら伝播し、コアを横切る際にコアに添加されたＹｂイオンに吸収され、誘導放出が生じることで、コア内を伝播するレーザ光が増幅される。増幅されたレーザ光は、出力アイソレータ３２４、コリメータ３４０を通過してレーザ出力として外部へ出力される。

段間アイソレータ３３０は、光ファイバ増幅器３２０から出力されるパルスレーザ光からファイバリングレーザ３１０を保護するために挿入されている。例えば、実際に加工を行うときには、レーザ光が加工対象物によって反射されるが、この反射光が光ファイバ増幅器３２０に入射した場合は、出力アイソレータ３２４でその強度は弱くなるものの、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバで再び増幅され、高強度のパルス光がファイバリングレーザ３１０へと入射し、ファイバリングレーザの各構成部品、特に励起光源３０１を破壊する恐れがある。段間アイソレータ３３０を挿入することで、ファイバリングレーザ３１０へ入射するパルス光の強度を低下させることができる。

以上のような構成において、ファイバリングレーザ３１０は、所定の周波数で先にレーザ発振させて定常状態とした後に、光ファイバ増幅器３２０で増幅を開始することでファーストパルスの発生を抑制することができる。

ファイバリングレーザ３１０の励起光源３０１は、常に一定パワーの励起光を出力するようにし、ＡＯＭ３０７の損失を所定の周波数で変化させた場合、ファイバリングレーザ３１０からは非常に安定したパルス出力が得られる。図４にＡＯＭ３０７の制御周波数が１０ｋＨｚの場合のファイバリングレーザ３１０の出力を示す。

これはファイバリングレーザ３１０を構成し、段間アイソレータ３３０を接続した後、光ファイバ増幅器３２０を接続する前に段間アイソレータ３３０から出力されるレーザ光を観測したものである。ＡＯＭ３０７は、制御信号が入力されると低損失になるため、制御信号が入力されるたびにレーザ光が出力されており、その尖頭値は非常に安定していることが分かる。なお、図４には１０ｋＨｚの場合だけを示したが、周波数が変化した場合も同様に安定したパルスが得られる。

このような安定したパルスが光ファイバ増幅器３２０に入力されている状態で、光ファイバ増幅器３２０の励起光源３２１から励起光を出力したときのレーザ出力を図５に示す。ＡＯＭ制御信号の周波数は１０ｋＨｚとし、図４に示したようにファイバリングレーザ３１０の出力は安定したパルスが得られている状態になっている。このような状態で、ＡＯＭ制御信号がＡＯＭ３０７に入力されたあと、８０μｓの遅延時間の後に励起光源３２１が励起光を出力するように、制御すると、次にＡＯＭ制御信号がＡＯＭ３０７に入力された時にはパルス状のレーザ出力が得られ、以降、最初のパルスとほぼ同程度の尖頭値を有するパルス出力が得られていることが分かる。ここで遅延時間とは、ＡＯＭ制御信号がＯＮされてから、光ファイバ増幅器３２０の励起光源３２１がＯＮされるまでの時間差である。
すなわち、従来レーザのように最初のパルスが極端に大きな尖頭値のパルスとなってしまうファーストパルスの問題が起こることなく、かつ安定したパルス出力が得られている。

また、ＡＯＭ３０７の動作周波数や励起光源３２１の励起光出力が変化した場合には、１つ目に出力されるパルスの尖頭値が非常に大きくなったり、逆に非常に小さくなる場合があるが、遅延時間を調節することでファーストパルスを解消することができる。

図６は、ＡＯＭ制御信号の周波数を１００ｋＨｚとして遅延時間を変化させたときに、１つ目に出力されるパルスの尖頭値を定常状態におけるパルスの尖頭値で規格化したものである。すなわち縦軸の値が１であれば定常状態におけるパルスの尖頭値と同じ尖頭値となる。

図６より分かるように、遅延時間が短いときには定常状態に比べて非常に大きな尖頭値のパルスが１つ目に出力され、遅延時間が長い時には非常に小さくなることが分かる。すなわち、遅延時間を調節することで１つ目に出力されるパルスの尖頭値を変化させることができる。

図７は、遅延時間を最適な値に制御した場合の光ファイバ増幅器３２０の出力パルスであり、ファーストパルスの尖頭値が定常状態の尖頭値とほぼ同じにすることができることが分かる。

さらに、ＡＯＭ３０７の動作周波数や励起光源の励起光出力を自由に変化させたい場合には、ＡＯＭ３０７の動作周波数や励起光源の励起光出力に応じた遅延時間をあらかじめインプットした制御回路を付加し、動作条件が変化した際には、自動的に遅延時間が調節されるような制御を行うことで、出力パルスの安定したファイバレーザを得ることができる。

従来の固体レーザの一例を示す構成図である。Ｑスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦでレーザ光のＯＮ／ＯＦＦを行うレーザ装置において出力が不安定になる原因を説明するための図である。本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。本発明のファイバレーザの出力安定化方法において、ＡＯＭの制御周波数が１０ｋＨｚの場合のファイバリングレーザの出力を示す図である。本発明のファイバレーザの出力安定化方法において、安定したパルスが光ファイバ増幅器に入力されている状態で励起光を出力した時のレーザ出力を示す図である。本発明のファイバレーザの出力安定化方法において、ＡＯＭの制御周波数を１００ｋＨｚとし遅延時間を変化させた時のファーストパルスの尖頭値変化を示す図である。本発明のファイバレーザの出力安定化方法において、遅延時間を最適な値に制御した場合の光ファイバ増幅器の出力パルスを示す図である。

符号の説明

３００…ファイバレーザ、３０１…励起光源、３０２…ＷＤＭカプラ３０２、３０３…Ｙｂ添加光ファイバ３０３、３０４…アイソレータ、３０５…出力カプラ、３０６…バンドパスフィルタ、３０７…ＡＯＭ、３１０…ファイバリングレーザ、３２０…光ファイバ増幅器、３２１…励起光源、３２２…マルチポートカプラ、３２３…Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ、３２４…出力アイソレータ、３３０…段間アイソレータ、３４０…出力コリメータ。

Claims

種光となるパルス光を発生する種光パルス光源と、該種光パルス光源の出力端に接続され種光パルスを増幅して出力する光ファイバ増幅器とからなるファイバレーザのパルス出力を安定化させる方法であって、
種光パルス光源から安定な出力パルスが出力されるようになった後に、光ファイバ増幅器の励起を開始するまでの遅延時間を変化させることによって、ファイバレーザから出力されるパルスの尖頭値を安定化することを特徴とするファイバレーザの出力安定化方法。
種光となるパルス光を発生する種光パルス光源と、該種光パルス光源の出力端に接続され種光パルスを増幅して出力する光ファイバ増幅器とからなるファイバレーザであって、
種光パルス光源から安定な出力パルスが出力されるようになってから、光ファイバ増幅器の励起を開始するまでの遅延時間を変化させてファイバレーザから出力されるパルスの尖頭値を安定化させる遅延時間調整手段を有することを特徴とするファイバレーザ。
種光パルス光源がＱスイッチによってパルス発振しているパルスレーザ光源であることを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ。
パルスレーザ光源は、少なくとも励起光源と、ＷＤＭカプラと、希土類添加光ファイバと、出力カプラと、Ｑスイッチ素子とを有してなり、ＷＤＭカプラ、希土類添加光ファイバ、出力カプラ及びＱスイッチ素子がリング状に接続されてなるファイバリングレーザであることを特徴とする請求項３に記載のファイバレーザ。
Ｑスイッチ素子が音響光学素子であることを特徴とする請求項４に記載のファイバレーザ。
Ｑスイッチ素子が可変光減衰器であることを特徴とする請求項４に記載のファイバレーザ。
ファイバリングレーザ内に、レーザ出力の波長を固定するバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のファイバレーザ。
光ファイバ増幅器は少なくともマルチポートカプラと、励起光源と、希土類添加ダブルクラッドファイバとを有してなることを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ。
パルスレーザ光源の希土類添加光ファイバのコア及び光ファイバ増幅器の希土類添加ダブルクラッドファイバのコアに添加されている希土類イオンがＹｂであることを特徴とする請求項８に記載のファイバレーザ。