JPWO2012165588A1

JPWO2012165588A1 - 光源装置および加工方法

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Publication number: JPWO2012165588A1
Application number: JP2013518178A
Authority: JP
Inventors: 忍玉置; 角井　素貴; 素貴角井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: US8705912B2; EP2717095A4; US20120305806A1; JP5975026B2; WO2012165588A1; EP2717095A1; CN103620492A

Abstract

本発明は光源装置に関し、当該光源装置は、ＭＯＰＡ構成を有し、種光源、パルス発生器、中間光増幅器、最終段光増幅器、デリバリ用光ファイバおよび光出力端を備える。デリバリ用光ファイバは、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を有するＰＢＧファイバである。ＰＢＧファイバの高損失帯域内の波長の光がＰＢＧＦに入力される。

Description

本発明は、光源装置および加工方法に関するものである。

レーザ光を出力する光源装置は、加工用途や医療用途などの様々な用途で用いられており、一般に出力レーザ光のパワーが大きくビーム品質が高いことが要求されている。光源装置の中でも注目されている光ファイバレーザ光源装置は、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｔｍなどの各種の希土類元素がコアに添加された増幅用光ファイバを増幅媒体として用いる。

光ファイバレーザ光源装置は、種光源から出力される種光を増幅用光ファイバにより増幅するＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構成等を採用することにより、出力レーザ光のパワーを大きくすることができる。また、光ファイバレーザ光源装置は、増幅用光ファイバのコアを伝搬する光を増幅することから、出力レーザ光のビーム品質が高い。したがって、光ファイバレーザ光源装置は加工用途などに好適に用いられる。

一般には、光源装置から出力されるレーザ光のビーム横断面における光強度分布は、ガウシアン分布またはこれに近い形状の分布であることが望ましいとされている。出力レーザ光の光強度分布がガウシアン分布に近いほど、その出力レーザ光のビーム品質が高いとされている。出力レーザ光のビーム品質が高いほど、レンズ系によりレーザ光のビーム径を小さくすることが可能であるので、高品質の加工が可能である。

特表２００８−５０９００６号公報

発明者らは、上述の従来技術について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、上述のように出力レーザ光の光強度分布がガウシアン分布に近いほど、レンズ系によりレーザ光のビーム径を小さく絞ることが可能である。この場合、高品質の加工が可能であるが、加工対象物へのレーザ光照射の走査回数が多くなったり照射時間が長くなったりする場合がある。例えば、上記特許文献１に記載されているように、従来では加工対象物に対してリング状の加工を施す際に当該リングに沿ってレーザ光照射位置を走査する必要がある。

もし、光ビーム横断面において中央部より周辺部の光パワーが大きいリング状の光強度分布を有するレーザ光を実現することができれば、リング状の加工が容易である。しかし、そのようなリング状の光強度分布を有するレーザ光を容易に実現することができる装置は知られていない。

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、光ビーム横断面において中央部より周辺部の光パワーが大きいリング状の光強度分布を有する出力光を容易に得ることができる光源装置を提供することを目的としている。

本発明に係る光源装置は、第１の態様として、主出力波長λ１のシングルモードの光を出力する第１光源部と、第１光源部からの出力光が増幅された後に入力されるデリバリ用光ファイバとを備える。この第１の態様において、デリバリ用光ファイバは、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ構造を有するとともに、出力光のファイバ断面内での伝搬領域が長手方向に変化することに伴うパワー移行損失特性として、コアにおいて、第１の値で略一定の第１波長帯と、第１波長帯における損失よりも高損失である第２波長帯を有する。また、波長λ１は、第２波長帯に存在する。さらに、デリバリ用光ファイバから出力される波長λ１の光がコア周辺部にリング状の光強度分布となるように、デリバリ用光ファイバの曲げ状態が設定されている。

本発明に係る光源装置は、上記第１の態様に適用可能な第２の態様として、主出力波長λ２の光を出力する第２光源部を更に備えてもよい。この第２の態様において、波長λ２は第１波長帯に存在する。また、波長λ１の光および波長λ２の光が合波され、この合波光がデリバリ用光ファイバに入力される。

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、デリバリ用光ファイバの長さおよび曲げ状態の少なくとも一つは、波長λ１においてパワー移行損失が第１の値より３ｄＢ以上高い値に設定されていてもよい。

或いは、本発明に係る光源装置は、第４の態様として、主出力波長λ１のシングルモード光を出力する第１光源部と、第１光源部からの出力光が増幅された後に入力され、その波長λ１の光が伝搬する際に波長λ_Ｒのラマン散乱光を発生させるデリバリ用光ファイバとを備える。この第４の態様において、デリバリ用光ファイバは、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ構造を有するとともに、出力光のファイバ断面内での伝搬領域が長手方向に変化することに伴うパワー移行損失特性として、コアにおいて、第１の値で略一定の第１波長帯と、第１波長帯における損失よりも高損失である第２波長帯とを有する。また、波長λ_Ｒの光は、第２波長帯に存在する。さらに、デリバリ用光ファイバから出力される波長λ_Ｒの光がコア周辺部にリング状の光強度分布となるように、デリバリ用光ファイバの曲げ状態が設定されている。

本発明に係る光源装置は、上記第４の態様に適用可能な第５の態様として、デリバリ用光ファイバの長さ又は曲げ状態の少なくとも一つは、波長λ_Ｒにおいてパワー移行損失が第１の値より３ｄＢ以上高い値になるように設定されていてもよい。

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、第１波長帯は、第２波長帯よりも短波長側に位置してもよい。逆に、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７の態様として、第１波長帯は、第２波長帯よりも長波長側に位置してもよい。また、上記第６および第７の態様のいずれも、短波長域と長波長域の境界を示す波長（以下、カット波長という）は、パワー移行損失特性が上記第１の値よりも３ｄＢだけ高くなる損失をとる波長として規定される。

本発明に係る加工方法は、上述の第１〜第７の態様のうち少なくともいずれか、またはこれら態様のうち２以上の態様の組合せに適用可能な第８の態様として、上述のような本発明に係る光源装置を利用する加工方法である。当該加工方法は、上記光源装置を用意し、該光源装置のデリバリ用光ファイバの出力端から出力されるリング状の光強度分布を有する光を加工対象物に照射することにより、加工対象物を加工する。

また、上記第８の態様に適用可能な第９の態様として、デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化前にはデリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状ではなく、デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化させた後にデリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状となるように、デリバリ用光ファイバが設定されていてもよい。

本発明によれば、光ビーム横断面において中央部より周辺部の光パワーが大きいリング状の光強度分布を有する出力光を容易に得ることができる。

は、本発明に係る光源装置の第１実施形態の構成を示す図である。は、通常の構成のシングルモード光ファイバをデリバリ用光ファイバ１５として用いた比較例に係る光源装置について、その光出力端での出力光のＮＦＰを示す図である。は、ＰＢＧＦの断面を示す図である。は、ＰＢＧＦの屈折率プロファイルを示す図である。は、ＰＢＧＦのパワー移行損失特性の一例を示す図である。は、カット波長より短波長の光をＰＢＧＦに入力させた場合における、ＰＢＧＦ内での光の伝搬のイメージを示す図である。は、図６のＰＢＧＦに入力する光の入力領域のイメージ（ａ）と、図６のＰＢＧＦから出力される光の出力領域のイメージ（ｂ）をそれぞれ示す図である。は、ＰＢＧＦのパワー移行損失特性の他の一例を示す図である。は、ＳＲＳによる周波数シフト量とラマンゲインとの関係を示すグラフである。は、図５に示されたＰＢＧＦのパワー移行損失特性とカット波長の位置との関係を説明するための図である。は、図８に示されたＰＢＧＦのパワー移行損失特性とカット波長の位置との関係を説明するための図である。は、本発明に係る光源装置の第２実施形態の構成を示す図である。は、図１２の第２実施形態に係る光源装置における光源から出力される光の波長λ１，λ２とデリバリ用光ファイバのカット波長λ_Ｃとの関係を示す図である。

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、本発明に係る光源装置の第１実施形態の構成を示す図である。光源装置１は、ＭＯＰＡ構成を有し、種光源１１、パルス発生器１２、中間光増幅器１３、最終段光増幅器１４、デリバリ用光ファイバ１５および光出力端１６を備えている。種光源１１は、半導体レーザを含み、パルス発生器１２から出力されるパルス信号により直接変調され、パルス光を出力する。中間光増幅器１３は、種光源１０から出力されるパルス光を種光として入力し、この種光を増幅する。最終段光増幅器１４は、中間光増幅器１３から出力されたパルス光を更に増幅する。デリバリ用光ファイバ１５は、最終段光増幅器１４から出力されたパルス光を入力端から出力端１６へ伝搬させ、伝搬したパルス光が該出力端１６を介して当該デリバリ用光ファイバ１５の外部へ出力される。光源部は、種光源１１〜光増幅ファイバ２１までを含み、光増幅ファイバからシングルモードの主出力光を出力する。なお、光源部は、図１に示された種光源を用いたＭＯＰＡ方式でなくてもよく、固体レーザ、Ｑスイッチ型であっても良い。

最終段光増幅器１４は、増幅用光ファイバ２１、励起光源２２および光カプラ２３を含む。増幅用光ファイバ２１は、活性物質である希土類元素（例えば、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｔｂなど）がコアに添加された光ファイバである。増幅用光ファイバ２１は、励起光源２２から光カプラ２３を経て入力される励起光により励起され、光カプラ２３を経由した中間光増幅器１３からの被増幅光を増幅することができる。

増幅用光ファイバ２１は、コア，第１クラッドおよび第２クラッドを有するダブルクラッド型の光ファイバであるのが好ましい。コアの屈折率は第１クラッドの屈折率より高く、第１クラッドの屈折率は第２クラッドの屈折率より高い。この場合、被増幅光はコア内を導波し、励起光はコアおよび第１クラッドの双方を導波される。励起光源２２は、増幅用光ファイバ２１に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する。励起光源２２は好適には半導体レーザである。

種光源１１と最終段光増幅器１４との間の光路中には複数段の中間光増幅器１３が設けられてもよいし、中間光増幅器１３が設けられていなくてもよい。複数個の励起光源２２が設けられてもよく、この場合、光カプラ２３として光コンバイナが用いられるのが好ましい。この図１には前方向励起構成が示されているが、後方向励起構成であってもよいし、双方向励起構成であってもよい。また、戻り光防止の為に光アイソレータが設けられていてもよい。

増幅用光ファイバ２１における励起光の吸収は、増幅用光ファイバ２１の特性によって決定され、モードフィールド径，第１クラッド径およびコアの希土類元素添加濃度によって主に変化する。例えば、添加濃度が約１００００ｐｐｍであり、モードフィールド径が約７μｍであり、第１クラッド径が約１３０μｍであり、長さが５ｍであるＹｂ添加光ファイバでは、励起波長９１５ｎｍ帯で約２.４ｄＢの励起光が吸収される。上記の例では励起波長として９１５ｎｍ帯（９１５±２０ｎｍ）が適用されたが、励起波長として９４０ｎｍ帯（９４０±５ｎｍ）や９７６ｎｍ帯（９７６±５ｎｍ）が適用されてもよい。

通常の構成のシングルモード光ファイバがデリバリ用光ファイバ１５として用いられる比較例（デリバリ用光ファイバを除き図１に示された構造を有する光源装置）の場合、光出力端１６における出力光のニア・フィールド・パターン（ＮＦＰ: Near Field Pattern）は図２のようなパターンとなる。図２は、通常の構成のシングルモード光ファイバをデリバリ用光ファイバ１５として用いた比較例に係る光源装置における光出力端１６での出力光のＮＦＰを示す図である。図２に示されたように、この比較例の場合における光出力端１６における出力光の光強度分布はガウシアン分布またはそれに近い分布となる。

これに対して、本実施形態に係る光源装置では、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ構造を有するフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ: Photonic Band Gap Fiber）がデリバリ用光ファイバ１５として採用されている。ＰＢＧＦの構成は様々であるが、その構成の一例を図３および図４に示す。図３は、ＰＢＧＦの断面を示す図である。図４は、ＰＢＧＦの屈折率プロファイルを示す図である。

ＰＢＧＦは、ファイバ軸に垂直な断面において、コア３１と、コア３１を取り囲む低屈折率領域３２と、低屈折率領域３２中に一定周期で２次元配列された複数の高屈折率領域３３とを含む。低屈折率領域３２の屈折率はコア３１の屈折率より低く、高屈折率領域３３の屈折率はコア３１の屈折率より高い。各領域の屈折率、コア３１の直径ｄ０、高屈折率領域３３の径ｄ１および高屈折率領域３３の配置の周期Λなどにより、ＰＢＧＦの特性が決定され、コア伝搬光に対する波長分離機能やフィルタ機能がＰＢＧＦに付与される。

波長分離またはフィルタ機能でカットされたコア伝搬光の波長成分は、クラッドに漏れることなく、コア３１の周囲のコア周辺部の中で閉じ込められ、ＰＢＧＦの出力端まで伝搬する。一度コア周辺部に結合した光は、コアに再結合することがない。

コア３１の比屈折率差Δ１を０.１９％とし、低屈折率領域３２の比屈折率差Δ２を０.０４％とし、高屈折率領域３３の比屈折率差Δ３を１.００％とし、コア３１の直径ｄ０を１０μｍとし、高屈折率領域３３の径ｄ１を８.４μｍとし、高屈折率領域３３の配置の周期Λを１４μｍとすると、このときのＰＢＧＦのパワー移行損失特性は図５に示されるような特性となる。図５に示されるＰＢＧＦのパワー移行損失特性では、カット波長λ_Ｃより短波長側（第１波長帯）で損失が小さく、カット波長λ_Ｃより長波長側（第２波長帯）で損失が大きい。

ＰＢＧＦは、ファイバ断面内で伝搬領域移動することに伴うパワー移行損失特性として、カット波長λ_Ｃの一方側（短波長側）が略一定の低損失である低損失帯域であって、カット波長λ_Ｃの他方側（長波長側）が高損失である高損失帯域である。なお、低損失帯域と高損失帯域の境界波長を示すカット波長λ_Ｃについては、使用ファイバで、低損失帯域における略一定の値となる損失より３ｄＢ増加した損失を取る波長と定義する。

ＰＢＧＦは、ファイバ長、曲げ径および巻き数などによりパワー移行損失特性が変化する。図５に示された特性例では、波長１０３０〜１０６０ｎｍ付近では、コア伝搬光のロスが低く約０.５ｄＢ程度である。しかし、１０８０ｎｍ近辺からロスが増加している。これは、ファイバ自体の背景ロスではなく、コア周辺部へコア伝搬光のパワーが移動している為である。図５で示された特性から、フィルタ機能を付与されたＰＢＧＦでは、フィルタ機能としてのカット波長λ_Ｃより長波長側の伝搬光が出力端まで伝搬することがわかる。

図５に示されたパワー移行損失特性を有するＰＢＧＦを用い、このＰＢＧＦに波長１１００ｎｍのレーザ光を入力させた場合、約２０ｄＢの光がＰＢＧＦのコア周辺部を伝搬することとなる。カット率を更に大きくすることにより、コア周辺部を伝搬する光を更に増やすことができる。この効果により、ＰＢＧＦの出力端では、コア伝搬部分がほとんど伝搬せず、コア周辺部に強いレーザ光が伝搬し、出力端にてリング形状の光強度分布を得ることが可能となる。

図６は、カット波長より短波長の光をＰＢＧＦに入力させた場合における、ＰＢＧＦ内での光の伝搬のイメージを示す図である。また、図７（ａ）は、図６のＰＢＧＦに入力する光の入力領域のイメージ、図７（ｂ）は、図６のＰＢＧＦから出力する光の出力領域のイメージを示す図である。図６のコア領域にシングルモードで入力された光（図７（ａ））は、ＰＢＧＦのバンドギャップ構造により、カット波長より長波長である入力光をコア部に留めることができずに高屈折率領域へ導波していくことになる。そのため、高屈折率領域内を伝搬する入力光は、高屈折率領域の外側に隣接する低屈折率領域との界面で反射される。一方、高屈折率領域はその内側に隣接するコア領域より高屈折率を有するために、高屈折率領域内を伝搬する入力光は、コアとの界面でも反射される。その結果、コア部を導波する光は、高屈折率領域へ移行し、図７（ｂ）に示されたようなリング状の断面形状になる。

なお、上記説明では、リング形状の光強度分布と記載しているが、ＰＢＧＦの伝搬光にてコア中心部のパワーが完全に０になることは考えにくいので、コア中心部およびコア周辺部それぞれのパワーを対比したときにコア周辺部の方が２倍以上強い場合に、リング形状になっていると定義する。コア周辺部の伝搬光では断面図で見た際に伝搬面積が広いので、上記の２倍以上の値は、コア中心部の伝搬パワーとコア周辺部の累計の伝搬パワーとを対比したときの値とする。

図５に示されたＰＢＧＦのパワー移行損失特性は、カット波長λ_Ｃより短波長側が略一定の低損失である低損失帯域であって、カット波長λ_Ｃより長波長側が高損失である高損失帯域であり、種光源１１から出力される光の波長がカット波長λ_Ｃより長波長側に存在する。これに対して、図８に示されたようなＰＢＧＦのパワー移行損失特性であってもよい。すなわち、図８のパワー移行損失特性は、カット波長λ_Ｃより長波長側（第１波長帯）が略一定の低損失である低損失帯域であって、カット波長より短波長側（第２波長帯）が高損失である高損失帯域であり、この場合、種光源１１から出力される光の波長がカット波長λ_Ｃより短波長側に存在する。このようなパワー移行損失特性を有するＰＢＧＦは、曲げ状態を変えも実現可能であるが、一例として、図３に示された断面構造および図４に示された屈折率プロファイルを有するＰＢＧＦにおいて、コア３１の比屈折率差Δ１を１.００％とし、低屈折率領域３２の比屈折率差Δ２を−０．３６％とし、高屈折率領域３３の比屈折率差Δ３を３．００％とし、コア３１の直径ｄ０を２．３μｍとし、高屈折率領域３３の径ｄ１を５．４μｍとし、高屈折率領域３３の配置の周期Λを９．０μｍとすると、このときのＰＢＧＦのパワー移行損失特性は図８に示されるような特性となる。

ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃ、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより短波長側でのパワー移行損失Ｌ_short、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより長波長側でのパワー移行損失Ｌ_long、および、種光源１１から出力される光の波長λ１の間の関係を整理すると、Ｌ_short＜Ｌ_longの場合はλ_Ｃ＜λ１であり、Ｌ_short＞Ｌ_longの場合はλ１＜λ_Ｃである。

これまで、ＰＢＧＦのカット波長が１０８０ｎｍであって、高損失帯域内の波長１１００ｎｍの光をＰＢＧＦに入力させる場合について説明してきた。しかし、ＰＢＧＦへの入力光の波長が１１００ｎｍよりも短い場合でも同様の効果を得られる場合がある。次に、ＰＢＧＦへの入力光の波長がＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより短い場合に、リング状の光強度分布を有する出力光を得ることについて説明する。

高パワーの光を光ファイバに入力させた場合、非線形光学現象である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ:Stimulated Raman Scattering）が光ファイバにおいて発現して、入力光波長より約１３ＴＨｚだけ長波長側にシフトした波長をピークとする１次ラマン散乱光が発生する。図９は、ＳＲＳによる周波数シフト量とラマンゲインとの関係を示すグラフである。ラマンシフト量は伝搬する材質に依存する。ここでは溶融石英の例を示した。

入力光パワーが強いほど、また、ラマン閾値が低いほど、高次ラマン成分が発現し易い。以降では１次ラマン成分のみ発現すると限定して説明する。波長１０６０ｎｍ付近の光が石英ガラスの光ファイバに入力する場合、１次ラマン成分のピーク波長は１１１０ｎｍ付近になる。

したがって、入力光波長λ１がＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより短い場合でも、１次ラマン成分（または高次ラマン成分）の波長λ_Ｒはカット波長λ_Ｃより長くなって、そのラマン散乱光は、ＰＢＧＦによってコア周辺部へパワーシフトする。すなわち、コア伝搬光のパワーが小さく、コア周辺部の光パワーが強く伝搬することとなる。このように、非線形光学現象を発現させると、入力光波長λ１がＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより短い場合でも、リング状の光強度分布を有する出力光を得ることが可能である。

ＰＢＧＦでラマン散乱が発現する場合をも考慮して、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃ、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより短波長側でのパワー移行損失Ｌ_short、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃより長波長側でのパワー移行損失Ｌ_long、種光源１１から出力される光の波長λ１、および、ラマン散乱光の波長λ_Ｒの間の関係を整理すると、以下のとおりである。まず、λ１＜λ_Ｒとなる。そして、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃを含めて関係を記すと、Ｌ_short＜Ｌ_longの場合はλ１＜λ_Ｃ＜λ_Ｒまたはλ_Ｃ＜λ１＜λ_Ｒであり、Ｌ_short＞Ｌ_longの場合はλ１＜λ_Ｃ＜λ_Ｒまたはλ１＜λ_Ｒ＜λ_Ｃである。すなわち、高損失帯域に波長λ１および波長λ_Ｒの双方または何れか一方が存在し、ＰＢＧＦの出力端から出力される高損失帯域内の波長の光がリング状の光強度分布となる。

ＰＢＧＦの出力端から出力される光のリング状の強度分布において、当該リングの中心部の穴径はＰＢＧＦのコア径に応じた径となる。したがって、中心部だけ面積の狭い加工形状を得るなどの加工も実現可能である。

図１０および図１１にＰＢＧＦ設計に伴う波長特性を示す。具体的に図１０は、図５に示されたＰＢＧＦのパワー移行損失特性とカット波長の位置との関係を説明するための図である。図１０では、図５に示された波長特性が模式的に示されている。ＰＢＧＦの特徴として、低損失帯域と高損失帯域は周期構造を持っており、ある特定の波長に対して、損失の配置を決めることが可能である。本発明における被増幅光の一例として、１０６４ｎｍ帯の光を用いており、ここでは１０６４ｎｍの波長を基準として、パワー移行損失特性とカット波長の位置との関係を説明する。

図１０に示されたように、図５のパワー移行損失特性を有するＰＢＧＦは、波長１０６４ｎｍに低損失帯域が位置するように設計されている。被増幅光である波長１０６４ｎｍの光は、増幅用光ファイバで増幅されて、その光パワーを増加させていく。増幅過程において、光ファイバ伝搬中にラマン現象が発生する可能性があるのは既知である。ラマン現象は、入力光の光パワーを長波長側にエネルギーシフトさせる現象であり、ラマン励起波長よりも長波長側にシフト光が発生する。波長１０６４ｎｍの被増福光波長に対して一次ラマンシフト光は、１１１０ｎｍ付近で発現する。これは、Ｇｅ−Ｓｉ母材から得られた光ファイバでのラマンシフト量であり、他の母材から得られた光ファイバでは、シフト量は異なる。ラマン現象によりエネルギーシフトした光をコア伝搬させないためには、図１０で示されたようなパワー移行損失特性を持つ光ファイバが有効であり、１０６４ｎｍよりも長波長側で損失が増加する傾向にあるＰＢＧＦが好適である。図１０では、高損失帯域に移行する波長の閾値として、「カット波長」が定義される。本発明では、「カット波長」の定義として、低損失帯域から３ｄＢ増加する波長を指している。上述のように、ＰＢＧＦの特性として、低損失帯域と高損失帯域が周期構造を持つことを説明したが、本発明での「カット波長」の定義として、「カット波長」にあたる波長が数点存在する可能性がある。

一方、図１１は、図８に示されたＰＢＧＦのパワー移行損失特性とカット波長の位置との関係を説明するための図であり、ＰＢＧＦの設計を変更することにより、１０６４ｎｍで高損失になるよう高損失帯域が配置されている。周期構造を採用することは、同じであり、ＰＢＧＦの設計を変えることで、固定の波長から見たときに、高損失になるか、低損失になるかＰＢＧＦによって依存することがわかる。図１１の例の場合、１０６４ｎｍ帯が高損失帯域に配置されており、ここでのカット波長は、長波長側での波長を示している。これは、ＰＢＧＦ後のビーム伝搬として、波長１０６４ｎｍの光をコア周辺部のドーナツ状のプロファイルにしたいためである。上述ように、被増幅光が光ファイバを伝搬することにより、ラマン現象は発生するが、波長１０６４ｎｍの光はコアを伝搬することがないため、コア伝搬による１０６４ｎｍからの一次ラマンシフトは発生しない。図１１でのカット波長も１波長０６４ｎｍよりも長波長側に配置されている。このように図１１では、波長１０６４ｎｍが高損失帯域に配置されているため、長波長側での低損失帯域から短波長方向へ見て、損失が３ｄＢ増加する波長を「カット波長」として定義している。

なお、図１０および図１１の双方において、ＰＢＧＦの設計により「カット波長」の位置、また、３ｄＢ増加するだけの定義では、周期構造を持つＰＢＧＦにおいて数点カット波長があると、御認識を与えてしまう恐れもある。そこで、より明確に「カット波長」を以下のように定義する。すなわち、ＰＢＧＦのコア部を伝搬させる波長λ_Ｂが、ＰＢＧＦの波長特性の低損失帯域に配置されていた場合、λ_Ｂより長波長側に配置される高損失帯域への損失増加傾きに対して、最もλ_Ｂに近く、かつ損失が３ｄＢ増加する波長を「カット波長」と定義する。また、ＰＢＧＦのコア部を伝搬させないλ_Ｂが、ＰＢＧＦの波長特性の高損失帯域に配置きれていた場合、λ_Ｂより長波長側に配置される低損失帯域から短波長側への損失増加傾きに対して、最もλ_Ｂに近く、かつ損失が３ｄＢ増加する波長を「カット波長」と定義する。

（第２実施形態）
上述の第1実施形態では、リング状の光強度分布を得る場合について説明してきたが、光ビーム横断面において互いに異なる波長の光をそれぞれリング状に分布させ、これら異なる波長の光を用いて加工することも可能である。図１２は、本発明に係る光源装置の第２実施形態の構成を示す図である。図１３は、この第２実施形態に係る光源装置２の光源４１，４２から出力される光の波長λ１，λ２とデリバリ用光ファイバ４６のカット波長λ_Ｃとの関係を示す図である。この光源装置２のデリバリ用光ファイバ４６もＰＢＧＦである。

この光源装置２において、第１光源部である光源４１から出力されるガウシアン強度分布を有する波長λ１（例えば１０６４ｎｍ）の光は、ミラー４３により反射された後に、光合波器４４に入力される。第２光源部である光源４２から出力されるガウシアン強度分布を有する波長λ２（例えば５３２ｎｍ）の光も光合波器４４に入力される。波長λ１の光と波長λ２の光は光合波器４４により合波され、この合波光が、レンズ４５を経由した後に、ＰＢＧＦであるデリバリ用光ファイバ４６へ入力端を介して入力される。第２光源部は、第１実施例の光源部とは異なって増幅用光ファイバ２１の存在を前提としていないので、その出力モードはシングルモードには限定されない。

波長λ１はＰＢＧＦの高損失帯域に存在し、波長λ２はＰＢＧＦの低損失帯域に存在する。すなわち、ＰＢＧＦのカット波長λ_Ｃは波長λ１と波長λ２との間に存在する。ＰＢＧＦの出力端では、波長λ２の光がコアから出力され、波長λ１の光がコア周辺部から出力される。

光源４１，４２は、光ファイバレーザ光源であってもよいし、固体レーザ光源であってもよい。光源４１，４２から出力される光が空間伝搬される場合、該出力光はコリメート光であるのが望ましく、光合波部４４において合波される際も合波用の素子を通じて合波させることが好ましい。ファイバデリバリであれば、ファイバデリバリのまま、結合させる手段が好ましい。波長λ１，λ２の合波光がレンズ系４５を通してＰＢＧＦに入力されることで、上記効果を得ることが可能になる。このような構成により、ビーム形状の異なる光（波長も異なる）でそれぞれ異なるエリアを加工できる。

本実施形態の光源装置１，２を用いて、その光源装置のデリバリ用光ファイバ（ＰＢＧＦ）の出力端から出力されるリング状の光強度分布を有する光を加工対象物に照射することで、その加工対象物を加工することができる。このとき、デリバリ用光ファイバの長さ又は曲げ状態が、波長λ１におけるパワー移行損失が低損失帯域での損失より３ｄＢ以上高い値になるように設定されているのが好適である。また、デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化前にはデリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状ではなく、デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化させた後にデリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状となるように、デリバリ用光ファイバが設定されているのが好適である。

１，２…光源装置、１１…種光源、１２…パルス発生器、１３…中間光増幅器、１４…最終段光増幅器、１５…デリバリ用光ファイバ、１６…光出力端、２１…増幅用光ファイバ、２２…励起光源、２３…光カプラ、３１…コア、３２…低屈折率領域、３３…高屈折率領域、４１，４２…光源、４３…ミラー、４４…光合波器、４５…レンズ、４６…光ファイバ。

Claims

主出力波長λ１のシングルモードの光を出力する第１光源部と、
前記第１光源部からの出力光が増幅された後に入力されるデリバリ用光ファイバと
を備えた光源装置であって、
前記デリバリ用光ファイバは、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ構造を有するとともに、前記出力光のファイバ断面内での伝搬領域が長手方向に変化することに伴うパワー移行損失特性として、前記コアにおいて、第１の値で略一定の第１波長帯と、前記第１波長帯における損失よりも高損失である第２波長帯を有し、
前記波長λ１は、前記第２波長帯に存在し、
前記デリバリ用光ファイバから出力される波長λ１の光が前記コアの外側の領域にリング状の光強度分布となるように、前記デリバリ用光ファイバの曲げ状態が設定されている光源装置。
主出力波長λ２の光を出力する第２光源部を更に備え、
前記波長λ２は、前記第１波長帯に属し、
前記波長λ１の光および波長λ２の光は合波され、この合波光が前記デリバリ用光ファイバに入力されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記デリバリ用光ファイバの長さおよび曲げ状態の少なくとも一つは、前記波長λ１においてパワー移行損失が前記第１の値より３ｄＢ以上高い値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
主出力波長λ１のシングルモード光を出力する第１光源部と、
前記第１光源部からの出力光が増幅された後に入力され、その波長λ１の光が伝搬する際に波長λ_Ｒのラマン散乱光を発生させるデリバリ用光ファイバと、を備えた光源装置であって、
前記デリバリ用光ファイバは、コア周囲に位置するコア周辺部にフォトニックバンドギャップ構造を有するとともに、前記出力光のファイバ断面内での伝搬領域が長手方向に変化することに伴うパワー移行損失特性として、前記コアにおいて、第１の値で略一定の第１波長帯と、前記第１波長帯における損失よりも高損失である第２波長帯とを有し、
前記波長λ_Ｒの光は、前記第２波長帯に存在し、
前記デリバリ用光ファイバから出力される波長λ_Ｒの光が前記コアの外側の領域にリング状の光強度分布となるように、当該前記デリバリ用光ファイバの曲げ状態が設定されている光源装置。
前記デリバリ用光ファイバの長さ又は曲げ状態の少なくとも一つは、前記波長λ_Ｒにおいてパワー移行損失が前記第１の値より３ｄＢ以上高い値になるように設定されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
前記第１波長帯は、前記第２波長帯よりも短波長側に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第１波長帯は、前記第２波長帯よりも長波長側に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源装置を用意し、
前記光源装置の前記デリバリ用光ファイバの出力端から出力されるリング状の光強度分布を有する光を加工対象物に照射することで、前記加工対象物を加工する加工方法。
前記デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化前には前記デリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状ではなく、前記デリバリ用光ファイバの曲げ状態変化させた後に前記デリバリ用光ファイバの出力端から出力される光の強度分布がリング状となるように、前記デリバリ用光ファイバが設定されていることを特徴とする請求項８に記載の加工方法。