JPWO2012161083A1 - パルス光源 - Google Patents

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Abstract

本発明は、光パワーを有効に利用することが可能で出力パルス光のパルス幅の選択が可能なパルス光源に関する。パルス光源は、ＭＯＰＡ構造を有し、種光源および光ファイバ増幅器を備える。種光源は、パルス光を出力する半導体レーザを含む。光ファイバ増幅器において、光フィルタは、ＹｂＤＦにより増幅されたパルス光を、ピーク波長を含む第１波長成分と残りの第２波長成分とに分波する。光スイッチは、入力された第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光のうちの何れか一方を出力する。ＹｂＤＦは、光スイッチからの出力パルス光を増幅する。

Description

本発明は、パルス光源に関するものである。
パルス光源は、レーザ加工等に代表される産業用途に用いられる。一般に、微細な加工対象のレーザ加工において、様々な加工対象に応じてパルスレーザ光のパルス幅を最適化することは、加工品質を向上させるために極めて重要である。特許文献１に、直接変調された半導体レーザから出力されるパルス光を光ファイバ増幅器により増幅するＭＯＰＡ構造のパルス光源が記載されている。上記特許文献１に記載されたパルス光源は、種光源から出力されるパルス光のうち一部のスペクトル成分のみをバンドパスフィルタで切り出すことで、出力パルス光のパルス幅を圧縮している。
特開２００９−１５２５６０号公報
発明者は、上述の従来のパルス光源について詳細に検討した結果、以下の課題を発見した。すなわち、上記特許文献１に記載されたパルス光源は、種光源から出力されるパルス光のうち一部のスペクトル成分のみをバンドパスフィルタで切り出している。そのため、バンドパスフィルタ透過前と比較してバンドパスフィルタ透過後の平均出力パワーが大幅に減少する。
また、実際のレーザ加工では、上記特許文献１に記載されたパルス光源において、バンドパスフィルタにより遮断されていた幅の広いパルス光（即ち、数ナノ秒以上のパルス幅のパルス光）を用いて加工することにより寧ろ良好な加工品質が得られる場合もある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、光パワーの有効利用を可能にするとともに、出力パルス光のパルス幅の選択を可能にするための構造を備えたパルス光源を提供することを目的としている。
本発明に係るパルス光源は、第1の態様として、直接変調される半導体レーザと、光フィルタと、光ファイバ増幅器と、を備える。半導体レーザは、直接変調され、パルス光を出力する。光フィルタは、半導体レーザから出力されるパルス光を入力し、その入力パルス光を、該入力パルス光のピーク波長を含む第１波長成分と残りの第２波長成分とに分波し、分波された波長成分の双方を出力する。光ファイバ増幅器は、光フィルタから出力された第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の双方または何れか一方を増幅し、増幅された波長成分のパルス光を出力する。
上記第1の態様に適用可能な第２の態様として、当該パルス光源において、光ファイバ増幅器は、第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の何れか一方を選択的に入力し、その入力された波長成分のパルス光を増幅してもよい。或いは、上記第1および第２の態様の少なくともいずれかに適用可能な第３の態様として、光ファイバ増幅器は、第１波長成分のパルス光を増幅する第１増幅部と、第２波長成分のパルス光を増幅する第２増幅部と、を含んでいてもよい。
また、上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第４の態様として、光フィルタは、誘電体多層膜により構成されてもよい。上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第５の態様として、光フィルタは、ファイバブラッググレーティングにより構成されてもよい。
なお、上記第１〜第５の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第６の態様として、当該パルス光源では、光フィルタから出力される第１波長成分のパルス光のパルス半値全幅と第２波長成分のパルス光のパルス半値全幅は、１０倍以上相違するのが好適である。
本発明によれば、光パワーを有効に利用することが可能であり、出力パルス光のパルス幅の選択が可能になる。
は、本発明に係るパルス光源の第１実施形態の構成を示す図である。 は、図１のパルス光源に含まれる光フィルタの一構成例を示す図である。 は、図１のパルス光源に含まれる光フィルタの他の構成例を示す図である。 は、図１のパルス光源に含まれる光フィルタの分波特性を説明する図である。 は、図１のパルス光源に含まれる光フィルタの分波特性を説明する図である。 は、本発明に係るパルス光源の第２実施形態の構成を示す図である。 は、本発明に係るパルス光源の第３実施形態の構成を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るパルス光源１の構成図である。図１において、パルス光源１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構造を有し、種光源１０および光ファイバ増幅器２０Ａを備える。種光源１０は、駆動電流０〜２２０ｍＡの範囲で直接変調可能な光源であって、パルス光を出力する１０６０ｎｍ帯ファブリーペロ半導体レーザを含む。
光ファイバ増幅器２０Ａは、プリアンプ２１Ａおよびブースタアンプ２２を含む。プリアンプ２１Ａは、ＹｂＤＦ４１，光フィルタ６１，光スイッチ６３およびＹｂＤＦ４３等を含む。ブースタアンプ２２は、ＹｂＤＦ４４等を含む。プリアンプ２１Ａおよびブースタアンプ２２それぞれは、光ファイバ増幅器であり、種光源１０から繰返し出力されたパルス光を増幅し、該増幅されたパルス光をエンドキャップ３０を介して出力する。このパルス光源１は、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。
ＹｂＤＦ４１，４３，４４は、種光源１０から出力される波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を増幅する光増幅媒体であり、石英ガラスからなる光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加されている。ＹｂＤＦ４１，４３，４４は、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点で有利である。これらＹｂＤＦ４１，４３，４４は、３段の光ファイバ増幅器を構成している。
第１段のＹｂＤＦ４１は、光カプラ７１を経由した励起光源８１からの励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４１は、光アイソレータ５１および光カプラ７１を経由した種光源１０からのパルス光を入力する。ＹｂＤＦ４１は、この入力パルス光を増幅し、該増幅されたパルス光を光アイソレータ５２を介して出力する。
光フィルタ６１は、光アイソレータ５２を経由した第１段のＹｂＤＦ４１からのパルス光（第１段のＹｂＤＦ４１により増幅されたパルス光）を入力する。光フィルタ６１は、入力パルス光を、そのピーク波長を含む第１波長成分と残りの第２波長成分とに分波し、分波された波長成分の双方を出力する。光スイッチ６３は、光フィルタ６１から出力された第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の双方を入力する。光スイッチ６３は、入力された第１および第２波長成分のパルス光のうちの何れか一方を選択し、該選択された波長成分のパルス光を光アイソレータ５５へ出力する。
第２段のＹｂＤＦ４３は、光カプラ７を経由した励起光源８２からの励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４３は、光アイソレータ５５を経由した光スイッチ６３からのパルス光（光スイッチ６３において選択出力されたパルス光）を入力する。ＹｂＤＦ４３は、この入力パルス光を増幅し、該増幅されたパルス光を出力する。
第３段のＹｂＤＦ４４は、光コンバイナ７４を経由した６個の励起光源８３それぞれからの励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４４は、光アイソレータ５６および光コンバイナ７４を経由した第２段のＹｂＤＦ４３からのパルス光（第２段のＹｂＤＦ４３により増幅されたパルス光）を入力する。そして、ＹｂＤＦ４４は、その入力パルス光を更に増幅し、該増幅されたパルス光をエンドキャップ３０を介して当該パルス光源１の外部へ出力させる。
より好適な構成例は以下のとおりである。ＹｂＤＦ４１，４３それぞれは、単一クラッド構造のＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が７μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。第３段のＹｂＤＦ４４は、二重クラッド構造のＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が１wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が１.５ｄＢ／ｍであり、長さが３.５ｍである。
ＹｂＤＦ４１，４３，４４に供給される励起光の波長は何れも０.９８μｍ帯である。第１段のＹｂＤＦ４１に供給される励起光は、パワーが２００ｍＷであって、単一モードである。第２段のＹｂＤＦ４３に供給される励起光は、パワーが２００ｍＷであって、単一モードである。また、第３段のＹｂＤＦ４４に供給される励起光は、パワーが２４Ｗであって、マルチモードである。
光フィルタ６１から出力される第１波長成分および第２波長成分のうち第２波長成分は、種光源１０から出力される種光のスペクトルのピーク波長を含まない。そのため、この第２波長成分は、種光源１０から出力される光のうちチャーピング成分だけを切り出した波長成分となる。そして、その後に第２波長成分のパルス光を増幅することにより、短パルス幅のパルス光を生成することができる。
図２は、第１実施形態に係るパルス光源１に含まれる光フィルタ６１の一構成例を示す図である。図２に示されたように、光フィルタ６１は、誘電体多層膜フィルタにより構成されるＷＤＭフィルタであってもよい。光フィルタ６１は、パルス光をポートＰ１に入力する。一方、光フィルタ６１は、その入力パルス光のうちピーク波長を含む短波長側の第１波長成分をポートＰ３から出力し、残りの第２波長成分をポートＰ２から出力する。図２（ａ）は、ポートＰ１に入力されるパルス光のパルス波形を示す。図２（ｂ）は、ポートＰ２から出力される第１波長成分のパルス光のパルス波形を示す。また、図２（ｃ）は、ポートＰ３から出力される第２波長成分のパルス光のパルス波形を示す。
図３は、第１実施形態に係るパルス光源１に含まれる光フィルタ６１の他の構成例を示す図である。図３に示されたように、光フィルタ６１は、ファイバブラッググレーティング６１１および光サーキュレータ６１２により構成されてもよい。ファイバブラッググレーティング６１１は、第１波長成分のパルス光を透過させる一方、第２波長成分のパルス光を反射させる。光フィルタ６１は、パルス光をポートＰ１に入力する。そして、光フィルタ６１は、その入力パルス光のうちピーク波長を含む第１波長成分をポートＰ２から出力し、残りの第２波長成分をポートＰ３から出力する。
誘電体多層膜フィルタにより構成される光フィルタは、安価であるものの、光損傷の危険がある。これに対して、ファイバブラッググレーティングにより構成される光フィルタは、カットオフ波長周辺の透過率の変化が急峻であり、サブナノ秒パルスと数ナノ秒パルスとの良好な切り分けが期待できる。或いは、複数ポートの光サーキュレータおよび複数の波長のＦＢＧを用いて、２出力ではなく、３以上の出力を実現しても良い。
また、図３に示されたように、ファイバブラッググレーティング６１１により構成される光フィルタ６１の場合、例えばサーミスタ６１３およびペルチエ素子６１４によりファイバブラッググレーティング６１１が温度調整されることで、ファイバブラッググレーティング６１１の中心反射波長を調整してもよい。或いは、ファイバブラッググレーティング６１１に対して機械的な引っ張りを加えることで、ファイバブラッググレーティング６１１の中心反射波長を調整してもよい。
図４および図５は、第１実施形態に係るパルス光源１に含まれる光フィルタ６１の分波特性を説明する図である。図４（ａ）および図５（ａ）は、種光源１０の出力パルス光のスペクトルを示す。図４（ｂ）および図４（ｂ）は、光フィルタ６１の分波特性を示す。図４（ｂ）および図５（ｂ）において、ポートＰ１からポートＰ２およびポートＰ３それぞれへの透過率のうち一方が実線で示され他方が破線で示されている。
これらの図に示されたとおり、種光源１０の特性に応じて、光フィルタ６１には、種光源１０の出力スペクトルのピーク波長を含む長波長側を取り出すか、ピーク波長を含む短波長側を取り出すか、適宜選択が必要となる。このために、光フィルタ６１のカットオフ波長は、種光源１０の出力スペクトルに応じて、決定される必要があり、製造時の設計と共に角度による微調整が必要な場合もある。更に、種光源１０の温度調整を併用することも効果的である。
光フィルタ６１から出力される第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光それぞれのパルス半値全幅は、１０倍以上（１桁以上）相違するのが好ましい。第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光のうち、一方がサブナノ秒パルスであって、他方が数ナノ秒パルスであるのが好ましい。
光フィルタ６１は、種光源１０の直後に挿入されても良いが、光ＳＮ比の劣化防止の為には、図１に示されたとおり、光増幅部内の光路中に挿入される方が望ましい。ただし、この場合、光フィルタ６１が破壊されないよう、光出力が比較的低いプリアンプ２１Ａ内の光路中に挿入することが望ましい。
光フィルタ６１の後段に設けられる光スイッチ６３は、光フィルタ６１から出力された第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の双方を入力する。そして、光スイッチ６３は、これらのうちの何れか一方を選択出力する。光スイッチ６３としては、機械式または電気光学式などの２ｘ１の光スイッチが用いられる。尚、光スイッチ６３における切り替えに際して、切り替えの前に、光スイッチ６３の下流にあるＹｂＤＦ４３，４４の励起パワーを十分に低下させ、切り替え完了後に、ＹｂＤＦ４３，４４の励起パワーを上昇させることが望ましい。このようにすることで、切り替え過渡期に光スイッチ６３の光損傷が発生しないようにすることができる。
本実施形態に係るパルス光源１は、第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の何れかを選択し、該選択された波長成分のパルス光を増幅する。そのため、当該パルス光源１は、パルス幅が広いパルス光とパルス幅が狭いパルス光とを選択して出力することができる。その結果、この第１実施形態では、光パワーの有効利用が可能になるとともに、出力パルス光のパルス幅の選択が可能になる。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るパルス光源２の構成図である。パルス光源２は、ＭＯＰＡ構造を有し、種光源１０および光ファイバ増幅器２０Ｂを備える。図１に示された第１実施形態に係るパルス光源１の構成と比較すると、図６に示された第２実施形態に係るパルス光源２は、プリアンプ２１Ａを含む光ファイバ増幅器２０Ａに替えて、プリアンプ２１Ｂを含む光ファイバ増幅器２０Ｂを備える点で相違する。
図１中に示されたプリアンプ２１Ａの構成と比較すると、図６中に示されたプリアンプ２１Ｂは、ＹｂＤＦ４２、光アイソレータ５３、光アイソレータ５４、光フィルタ６２、光スイッチ６４、光カプラ７０および光カプラ７２を更に含む点で相違する。
ＹｂＤＦ４２は、ＹｂＤＦ４１，４３，４４と同様に、種光源１０から出力される波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を増幅する光増幅媒体で、石英ガラスからなる光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加されている。これらＹｂＤＦ４１，４２，４３，４４は、４段の光ファイバ増幅器を構成している。
ＹｂＤＦ４２は、光カプラ７０および光カプラ７２を経由した励起光源８１からの励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４２は、光アイソレータ５３および光カプラ７２を経由した光スイッチ６３からのパルス光（光スイッチ６３により選択出力されたパルス光）を入力する。そして、ＹｂＤＦ４２は、その入力パルス光を増幅し、該増幅されたパルス光を出力する。
光フィルタ６２は、光アイソレータ５４を経由したＹｂＤＦ４２からのパルス光（ＹｂＤＦ４２により増幅されたパルス光）を入力する。光フィルタ６２は、その入力パルス光を、そのピーク波長を含む第１波長成分と残りの第２波長成分とに分波し、該分波された波長成分の双方を出力する。光スイッチ６４は、光フィルタ６２から出力された第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の双方を入力し、これらのうちの何れか一方を選択する。選択された波長成分のパルス光は、光アイソレータ５５へ出力される。
ＹｂＤＦ４２は、ＹｂＤＦ４１，４３と同様の構造を有する。光フィルタ６２は、光フィルタ６１と同様の構造を有する。光スイッチ６４は、光スイッチ６３と同様の構造を有する。第２実施形態では、光フィルタ６１および光スイッチ６３の組に加えて、光フィルタ６２および光スイッチ６４の組が更に設けられている。光フィルタの波長峻別特性が不十分である場合は、このように２段以上の光フィルタを使用することが望ましい。
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係るパルス光源３の構成図である。図７において、パルス光源３は、ＭＯＰＡ構造を有し、種光源１０および光ファイバ増幅器２０Ｃを備える。図１に示された第１実施形態に係るパルス光源１の構成と比較すると、この図６に示された第３実施形態に係るパルス光源３は、光ファイバ増幅器２０Ａに替えて光ファイバ増幅器２０Ｃを備える点で相違する。光ファイバ増幅器２０Ｃは、プリアンプ２１Ｃおよびブースタアンプ２２１，２２２を含む。
第１実施形態におけるプリアンプ２１Ａの構成と比較すると、本実施形態におけるプリアンプ２１Ｃは、光スイッチ６３が設けられていない点で相違する。また、本実施形態におけるプリアンプ２１Ｃは、光スイッチ６１の後段の増幅部として、光スイッチ６１から出力される第１波長成分のパルス光を増幅する第１増幅部としてＹｂＤＦ４３１，光アイソレータ５５１，光カプラ７３１および励起光源８２１を含む。さらに、本実施形態におけるプリアンプ２１Ｃは、光スイッチ６１から出力される第２波長成分のパルス光を増幅する第２増幅部としてＹｂＤＦ４３２，光アイソレータ５５２，光カプラ７３２および励起光源８２２を含む。
本実施形態におけるブースタアンプ２２１，２２２それぞれは、第１実施形態におけるブースタアンプ２２と同様の構造を有する。ブースタアンプ２２１は、プリアンプ２１Ｃの第１増幅部から出力（増幅）された第１波長成分のパルス光を増幅し、その増幅パルス光を光学ヘッド３１１を介して出力する。ブースタアンプ２２２は、プリアンプ２１Ｃの第２増幅部から出力（増幅）された第２波長成分のパルス光を増幅し、その増幅パルス光を光学ヘッド３１２を介して出力する。
本実施形態に係るパルス光源３は、第１波長成分のパルス光および第２波長成分のパルス光の双方を同時に使用し、例えば、一方の低パルスエネルギーのパルス光を照射することで透明体帯材料に光損傷の起点を設けた後、他方の高パルスエネルギーのパルス光を照射することで加工を促進するといった場合に好適に用いられる。
１〜３…パルス光源、１０…種光源、２０Ａ〜２０Ｃ…光ファイバ増幅器、２１Ａ〜２１Ｃ…プリアンプ、２２，２２１，２２２〜ブースタアンプ、３０…エンドキャップ、３１１，３１２…光学ヘッド、４１〜４４…ＹｂＤＦ、５１〜５６…光アイソレータ、６１，６２…光フィルタ、６３，６４…光スイッチ、７０〜７３…光カプラ、７４…光コンバイナ、８１〜８３…励起光源。

Claims (6)

  1. 直接変調され、パルス光を出力する半導体レーザと、
    前記半導体レーザから出力されるパルス光を、そのピーク波長を含む第１波長成分と残りの第２波長成分とに分波する光フィルタと、
    前記光フィルタから出力された前記第１波長成分のパルス光および／または前記第２波長成分のパルス光を増幅する光ファイバ増幅器と、
    を備えたパルス光源。
  2. 前記光ファイバ増幅器が、前記第１波長成分のパルス光および前記第２波長成分のパルス光の何れか一方を選択的に入力し、その入力パルス光を増幅することを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
  3. 前記光ファイバ増幅器が、前記第１波長成分のパルス光を増幅する第１増幅部と、前記第２波長成分のパルス光を増幅する第２増幅部とを含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
  4. 前記光フィルタが、誘電体多層膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
  5. 前記光フィルタが、ファイバブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
  6. 前記光フィルタから出力される前記第１波長成分のパルス光および前記第２波長成分のパルス光それぞれのパルス半値全幅が、１０倍以上異なる相違することを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
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