TWI575827B - 光纖雷射裝置 - Google Patents

Description

光纖雷射裝置 發明領域

本發明是涉及光纖雷射裝置。

發明背景

於下述之專利文獻1揭示了具有脈波振盪器、第1波長濾波器、波長轉換器、第2波長濾波器、光纖放大器、之光纖雷射裝置。

在該光纖雷射裝置，由脈波振盪器輸出之脈衝光是穿透第1波長濾波器，入射波長轉換器。藉由波長轉換器，以可在後段之光纖放大器放大至希望之輸出的方式將波長轉換成光纖放大器之增益波長帶域內之波長。被波長轉換器進行了波長轉換之脈衝光是穿透第2波長濾波器。另一方面，波長未被波長轉換器進行轉換之脈衝光是在第2波長濾波器被遮斷。穿透第2波長濾波器之脈衝光是被光纖放大器放大至希望之輸出而輸出，使用在雷射加工等用途。

另一方面，來自被加工面之反射光是穿透光纖放大器而放大，成為高強度之反射光而入射第2波長濾波器。由於該反射光之波長是與從波長轉換器入射光纖放大器之輸出光之波長一致，故反射光會穿透第2波長濾波器而入射 波長轉換器。雖然穿透了波長轉換器之反射光會入射第1波長濾波器，但由於反射光之波長是與從脈波振盪器輸出之原本之輸出光之波長不同，故在第1波長濾波器被遮斷。如此，因為可抑制反射光往脈波振盪器入射之情形，故可防止由反射光造成之脈波振盪器內之零件之故障。

先行技術文獻 專利文獻

專利文獻1 日本特許第5198292號公報

發明概要

近年，光纖雷射裝置之用途變得多樣化，有時會需要可輸出比習知還要長波長側之雷射光之光纖雷射裝置。然而，由光纖放大器獲得之光之長波長化有極限。因此，上述之專利文獻1之光纖雷射裝置有著無法獲得具有長波長側之希望波長之雷射光的問題。所以，可抑制反射光對脈波振盪器等訊號光發生部之影響、並可獲得具有長波長側之希望波長之雷射光之光纖雷射裝置之提供受到期待。

本發明之一態樣是為了解決上述課題而建構，以提供可抑制反射光對訊號光發生部之影響、並可獲得具有長波長側之希望波長之雷射光之光纖雷射裝置作為目的之一。

為了達成上述目的，與本發明之一態樣相關之光 纖雷射裝置包含：第1光放大器，輸出第1波長之光；第1波長濾波器，與前述第1光放大器光學地結合，讓前述第1波長之光穿透，將前述第1波長以外之波長之光遮斷；第1拉曼波長轉換部，與前述第1波長濾波器光學地結合，發生受激拉曼散射效應，將來自前述第1波長濾波器之輸出光轉換成第2波長之光，該第2波長比前述第1波長還長；第2波長濾波器，與前述第1拉曼波長轉換部光學地結合，讓前述第2波長之光穿透，將前述第2波長以外之波長之光遮斷；第2光放大器，與前述第2波長濾波器光學地結合，將來自前述第2波長濾波器之輸出光放大；第2拉曼波長轉換部，與前述第2光放大器光學地結合，發生受激拉曼散射效應，將來自前述第2光放大器之輸出光轉換成第3波長之光，該第3波長比前述第2波長還長；第3波長濾波器，與前述第2拉曼波長轉換部光學地結合，讓前述第3波長之光穿透，將前述第3波長以外之波長之光遮斷。

關於與上述態樣相關之光纖雷射裝置，由於具備有與第2光放大器光學地結合之第2拉曼波長轉換部，故來自第2光放大器之輸出光之波長朝長波長側偏移，第2波長之光轉換成第3波長之光。因此，即便第2光放大器單獨之長波長化有極限，與不具備有第2拉曼波長轉換部之習知裝置相較之下，可獲得長波長之輸出光。

另一方面，關於在被照射體反射之第3波長之反射光，若從被照射體回來，則穿透第3波長濾波器而入射第2拉曼波長轉換部。在此，反射光之波長進一步朝長波長側

偏移，更加地長波長之反射光朝第2光放大器入射。該反射光雖然在第2光放大器被放大，但在第2光放大器被放大之反射光之波長是比第3波長更加地長波長，與被第1拉曼波長轉換部進行了轉換之光之波長(第2波長)不同，因此，在第2光放大器被放大之反射光無法穿透第2波長濾波器。另外，即便假設在反射光中含有第2波長成分，該第2波長成分可穿透第2波長濾波器，但第2波長成分無法穿透第1波長濾波器。

如此，根據上述態樣之光纖雷射裝置，可獲得只靠第2光放大器則無法獲得之較為長波長之希望之輸出光，並可確實地抑制反射光對第1光放大器之影響。

亦可以為：前述第1拉曼波長轉換部是以第1光纖構成，前述第2拉曼波長轉換部是以第2光纖構成。

此情況下，亦可以為：前述第2光纖之核心直徑比前述第1光纖之核心直徑還大，前述第2光纖之長度比前述第1光纖之長度還短。

由受激拉曼散射造成之波長轉換是於非線形介質入射超過預定閾值(拉曼閾值)之強入射光時產生。尤其，光之峰值功率密度(=峰值功率/核心截面積)高、光纖長度長的情況下，更易於發生波長轉換。在上述態樣之光纖雷射裝置，往第2拉曼波長轉換部之入射光是經過第2光放大器放大，峰值功率比往第1拉曼波長轉換部之入射光還大。因此，如果光纖長度及核心截面積相同，則有在第2拉曼波長轉換部產生高次之不需要之拉曼散射之虞。於是，根據上 述構成，可抑制在第2拉曼波長轉換部之高次之不需要之受激拉曼散射。

亦可以為如下構成：前述第2光放大器具備有摻Yb光纖而作為放大用光纖，從前述第2光放大器輸出之光之波長比1060nm還長。

關於來自被照射體之第3波長之反射光，若從被照射體返回，則穿透第3波長濾波器而入射第2拉曼波長轉換部。此時，因為反射光通過第2拉曼波長轉換部，故反射光之波長更加地朝長波長側偏移，更加地朝長波長偏移之反射光是朝第2光放大器入射。在此，關於摻Yb光纖，增益之峰值是在1030nm與1060nm附近，有著波長越是變得比1060nm長則增益變得越低之傾向。因此，使用摻Yb光纖的情況下，若來自第2光放大器之輸出光之波長比1060nm還長，則可抑制從第2光放大器往輸入側返回之反射光之放大，可進一步抑制反射光對第1光放大器之影響。

亦可以為如下構成：從前述第2拉曼波長轉換部之輸入用光纖至輸出用光纖為止之光纖的V值比2.4還小。

根據該構成，因為從光纖雷射裝置獲得之輸出是單模輸出，故光束品質提升。

亦可以為如下構成：至少一部分使用偏振保持光纖，輸出單一偏光。

根據該構成，可對付要求輸出光是單一偏光之用途。

根據上述態樣，可實現抑制反射光對訊號光發生 部之影響、並獲得具有長波長側之希望波長之雷射光之光纖雷射裝置。

1、11、21、31‧‧‧光纖雷射裝置

2‧‧‧脈波振盪器(第1光放大器)

3‧‧‧第1波長濾波器

4‧‧‧第1拉曼波長轉換部

5‧‧‧第2波長濾波器

6‧‧‧光放大器(第2光放大器)

7‧‧‧第2拉曼波長轉換部

8‧‧‧第3波長濾波器

12‧‧‧偏光元件

13‧‧‧無規偏光部

14‧‧‧單一偏光部

16‧‧‧光纖

17‧‧‧偏振保持光纖

[圖1]與第1實施形態相關之光纖雷射裝置的概略構成圖。

[圖2]顯示分別在脈波振盪器輸出後、第1拉曼波長轉換部輸出後、及第2拉曼波長轉換部輸出後之光之波長的圖。

[圖3A]顯示第1波長濾波器之穿透特性的圖。

[圖3B]顯示第2波長濾波器之穿透特性的圖。

[圖3C]顯示第3波長濾波器之穿透特性的圖。

[圖4]與第2實施形態相關之光纖雷射裝置的概略構成圖。

[圖5]與第2實施形態相關之光纖雷射裝置之變形例的概略構成圖。

[圖6]與第2實施形態相關之光纖雷射裝置之變形例的概略構成圖。

用以實施發明之形態

[第1實施形態]

以下，使用圖1及圖2來說明本發明之第1實施形態。

與本實施形態相關之光纖雷射裝置是適合用於例如雷射加工等用途之脈衝光纖雷射裝置之例。但是，用途並不限定於雷射加工。

圖1是與本實施形態相關之光纖雷射裝置的概略構成 圖。

如圖1所示，光纖雷射裝置1具有脈波振盪器(第1光放大器)2、第1波長濾波器3、第1拉曼波長轉換部4、第2波長濾波器5、光放大器(第2光放大器)6、第2拉曼波長轉換部7、第3波長濾波器8。

如圖2所示，在光纖雷射裝置1，來自脈波振盪器2之輸出光之波長、亦即第1波長(λ1)是藉由第1拉曼波長轉換部4而朝長波長側偏移而變成第2波長(λ1)，在經過光放大器6之後，第2波長(λ2)藉由第2拉曼波長轉換部7而更加地朝長波長側偏移而變成第3波長(λ3。

脈波振盪器2是輸出第1波長(λ1)之脈衝光。脈波振盪器2是使用包含例如法布里-培若型之光纖雷射、光纖環雷射等之周知之脈波振盪器。詳細說明雖然予以省略，但脈波振盪器2舉例來說是具有激發光源、添加稀土類之光纖、光開關。因為來自激發光源之激發光，添加稀土類之光纖中之稀土類離子成為激發狀態，發射出自發發射光。自發發射光是一面放大一面在光纖內傳送而輸出。來自添加稀土類之光纖之輸出光是藉由光開關而受到切換，變成脈衝光。在本實施形態，使用Yb光纖來作為添加稀土類之光纖，增益帶域是1030~1100nm程度。所以，第1波長舉例來說是最短波長側之1030nm程度。

第1波長濾波器3是與脈波振盪器2光學地結合。第1波長濾波器3舉例來說是藉由帶通濾波器而構成。如圖3A所示之穿透特性，第1波長濾波器3是讓身為第1波長(λ1) 之一例之1030nm近處之光穿透，將第1波長(λ1)以外之波長之光遮斷。

第1拉曼波長轉換部4是與第1波長濾波器3光學地結合。第1拉曼波長轉換部4是以當高功率之光入射時發生受激拉曼散射效應之光纖(第1光纖)而構成。可藉由光纖之核心直徑、光纖長度來調整受激拉曼散射所產生之光之功率。第1拉曼波長轉換部4是將來自第1波長濾波器3之輸出光轉換成比第1波長(λ1)還長之第2波長(λ2)之光。第1拉曼波長轉換部4可使來自第1波長濾波器3之輸出光之波長朝長波長側偏移50nm程度。藉此，在第1拉曼波長轉換部4，波長1030~1100nm之光轉換成波長1080~1150nm之光。若以最短波長側來考量，則舉例來說，波長1030nm(λ1)之光轉換成波長1080nm(λ2)之光。

第2波長濾波器5是與第1拉曼波長轉換部4光學地結合。第2波長濾波器5舉例來說是藉由帶通濾波器而構成。如圖3B所示之穿透特性，第2波長濾波器5是讓身為第2波長(λ2)之一例之1080nm近處之光穿透，將第2波長(λ2)以外之波長之光遮斷。

光放大器6是與第2波長濾波器5光學地結合，將從第2波長濾波器5輸出之光放大。詳細說明雖然予以省略，但光放大器6舉例來說是具有：激發光源，包含複數之雷射二極體；放大用光纖，由摻有Yb來作為稀土類元素之摻Yb光纖所成。來自激發光源之激發光是被放大用光纖中之Yb吸收而形成反轉分布，產生受激發射。藉此，傳送於核心 內之雷射光放大，作為雷射輸出而輸出。從光放大器6輸出之光之波長帶域是1080~1100nm。若以最短波長側來考量，則從光放大器6輸出之光是第2波長λ2之1080nm。

第2拉曼波長轉換部7是與光放大器6光學地結合。第2拉曼波長轉換部7是以當高功率之光入射時發生受激拉曼散射效應之光纖(第2光纖)而構成。可藉由光纖之核心直徑、光纖長度來調整受激拉曼散射所產生之光之功率。第2拉曼波長轉換部7是將來自光放大器6之輸出光轉換成比第2波長(λ2)還長之第3波長(λ3)之光。第2拉曼波長轉換部7可使來自光放大器6之輸出光之波長朝長波長側偏移50nm程度。

藉此，在第2拉曼波長轉換部7，波長1080~1100nm之光轉換成波長1130~1150nm之光。若以最短波長側來考量，則舉例來說，波長1080nm(λ2)之光轉換成波長1130nm(λ3)近處之光。

第3波長濾波器8是與第2拉曼波長轉換部7光學地結合。第3波長濾波器8舉例來說是藉由帶通濾波器而構成。如圖3C所示之穿透特性，第3波長濾波器8是讓身為第3波長(λ3)之一例之1130nm近處之光穿透，將第3波長(λ3)以外之波長之光遮斷。

表1是將上述之各構成要素之波長特性予以整理的表。

以下，一面參考表1，一面說明本實施形態之光纖雷射裝置1之作用。

首先，著眼於輸出光。從脈波振盪器2輸出之第1波長λ1(例如1030nm)之光是穿透第1波長濾波器3，在第1拉曼波長轉換部4進行波長轉換，成為第2波長λ2(例如1080nm)之光。此時，並非全部的光進行波長轉換，第1波長λ1之光殘留有一部分，但第1波長λ1之光會被後段之第2波長濾波器5遮斷。

從第1拉曼波長轉換部4輸出之第2波長λ2之光是穿透第2波長濾波器5，藉由光放大器6放大後，在第2拉曼波長轉換部7進行波長轉換，成為第3波長λ3(例如1130nm)之光。在此，與第1拉曼波長轉換部4同樣，並非全部的光進行波長轉換，第2波長λ2之光殘留有一部分，但第2波長λ2之光會被後段之第3波長濾波器8遮斷。從第2拉曼波長轉換部7輸出之第3波長λ3之光是穿透第3波長濾波器8而輸出。輸出光舉例來說是照射於被加工面，用於雷射加工。

接著，著眼於反射光。來自被加工面之第3波長λ3之反射光是穿透第3波長濾波器8，入射第2拉曼波長轉換部7。在此，反射光之波長是從第3波長λ3進一步朝長波長側 偏移，更加地長波長之反射光是入射光放大器6。

該反射光雖然會在光放大器6被放大，但在光放大器6經過放大之光會在第2波長濾波器5被遮斷，不會繼續往回走。另外，即便假設在反射光中混有第2波長之光且第2波長之光穿透第2波長濾波器5，但該光會在第1波長濾波器3被遮斷，不會回到脈波振盪器2。

如此，本實施形態之光纖雷射裝置1是在光放大器6之後段具備有第2拉曼波長轉換部7，因此，即便光放大器6單獨之光之長波長化有極限，與不具備有第2拉曼波長轉換部7之習知裝置相較之下，可獲得長波長之輸出光。具體而言，使用摻Yb光纖來作為放大用光纖之光放大器是具有易於提升輸出功率、光束品質佳等優點，但相反地，增益之峰值是在1030nm與1060nm附近，有著波長越是變得比1060nm長則增益變得越低之傾向。因此，具有1100nm以上之波長之光難以放大之缺點。所以，此種光纖雷射裝置具有在要求波長為1100nm以上之用途會無法使用之問題。相較於此，根據本實施形態之光纖雷射裝置1，如上述，可獲得波長超過1100nm之輸出光。如此，根據本實施形態，可實現如下之光纖雷射裝置1：可獲得只靠光放大器6則無法獲得之較為長波長之希望之輸出光，並可確實地抑制反射光對脈波振盪器2之影響。

另外，關於各拉曼波長轉換部之光纖之核心直徑、光纖長度，舉例來說，能以調整受激拉曼散射所產生之光之功率等為目的而適宜地設定。但是，可藉由令構成第2拉 曼波長轉換部7之光纖(第2光纖)之核心直徑比構成第1拉曼波長轉換部4之光纖(第1光纖)之核心直徑還大、令構成第2拉曼波長轉換部7之光纖之長度比構成第1拉曼波長轉換部4之光纖之長度還短，而獲得以下之效果。

由受激拉曼散射造成之波長轉換是於非線形介質入射超過預定閾值(拉曼閾值)之強入射光時產生。尤其，光之峰值功率密度(=峰值功率/核心截面積)高、光纖長度長的情況下，更易於發生波長轉換。在此，A=峰值功率×(光纖長)/(核心之截面積)的情況下，若A之值超過預定閾值，則產生某波長之拉曼光。例如，以產生2次拉曼光之閾值為A2、以產生3次拉曼光之閾值為A3、...、以產生n次拉曼光之閾值為An，則A2<A3<...<An。

在與本實施形態相關之光纖雷射裝置1，往第2拉曼波長轉換部7之入射光是經過光放大器6放大，故峰值功率比往第1拉曼波長轉換部4之入射光還大。因此，如果光纖長度及核心截面積相同，則有在第2拉曼波長轉換部7產生高次之不需要之拉曼散射之虞。於是，若令構成第2拉曼波長轉換部7之光纖之核心直徑比構成第1拉曼波長轉換部4之光纖之核心直徑還大、且構成第2拉曼波長轉換部7之光纖之長度比構成第1拉曼波長轉換部4之光纖之長度還短，則可抑制在第2拉曼波長轉換部7之高次之不需要之受激拉曼散射。

如本實施形態，來自光放大器6之輸出光之波長宜為比1060nm還長。理由是若來自光放大器6之輸出光之波 長比1060nm還長，則可更確實地抑制反射光對脈波振盪器2之影響。亦即，從被加工面返回之反射光會因為通過第2拉曼波長轉換部7而令波長更加地朝長波長側偏移，更加地朝長波長偏移之反射光是朝光放大器6入射。在此，關於摻Yb光纖，如上述，有著波長越是變得比1060nm長則增益變得越低之傾向。因此，若來自光放大器6之輸出光之波長比1060nm還長，則可抑制從光放大器6往脈波振盪器2側返回之反射光之放大。

另外，從第2拉曼波長轉換部7之輸入用光纖至輸出用光纖為止之光纖的V值宜比2.4還小。此情況下，因為從光纖雷射裝置1獲得之輸出是單模輸出，故光束品質提升。

[第2實施形態]

以下，使用圖4來說明本發明之第2實施形態。

與第2實施形態相關之光纖雷射裝置之基本構成是相同於第1實施形態之光纖雷射裝置，但在獲得單一偏光之輸出之單一偏光雷射這點是不同於第1實施形態。

在圖4，關於與在第1實施形態所使用之圖1共通之構成要素是賦予相同之符號而省略說明。

如圖4所示，在與本實施形態相關之光纖雷射裝置11，於第2波長濾波器5、光放大器6之間設有偏光元件12。偏光元件12是將無規偏光予以單一偏光化之元件。關於空間型之偏光元件，使用格蘭-湯姆森稜鏡、格蘭-泰勒稜鏡、格蘭激光稜鏡等之偏振分光器。關於光纖型之偏光元件， 使用雙折射率比通常還大之偏振保持光纖。光纖型之偏光元件是利用光纖之在慢軸與快軸之彎曲損耗之不同，藉由改變光纖之彎曲，例如令慢軸之損耗為零、快軸之損耗為20dB，只取出慢軸之光而單一偏光化。

在圖4中，從脈波振盪器2至第2波長濾波器5為止之部分是處理無規偏光之無規偏光部13。從偏光元件12至第3波長濾波器8為止之部分是處理單一偏光之單一偏光部14。在無規偏光部13可使用通常之光纖16。另一方面，在單一偏光部14需要使用偏振保持光纖17。關於偏振保持光纖17，可以使用例如PANDA光纖。

其他之構成是與第1實施形態相同。

在本實施形態亦可獲得與第1實施形態同樣之效果，亦即可實現能獲得長波長之希望之輸出光、並可確實地抑制反射光對脈波振盪器之影響之光纖雷射裝置11。再者，根據本實施形態，可對付要求單一偏光雷射之用途。

附帶一提，雖然在圖4是顯示將偏光元件12設在第2波長濾波器5與光放大器6之間之例，但令光纖雷射裝置取單一偏光雷射之構成並不限定於該例，舉例來說，亦可以採用圖5、圖6所示之構成。

如圖5所示，在第1變形例之光纖雷射裝置21，偏光元件12是設在脈波振盪器2與第1波長濾波器3之間。此情況下，從脈波振盪器2至偏光元件12之輸入為止之部分是處理無規偏光之無規偏光部13。從偏光元件12至第3波長濾波器8為止之部分是處理單一偏光之單一偏光部14。在無規偏 光部13是使用通常之光纖16。在單一偏光部14是使用偏振保持光纖17。

如圖6所示，在第2變形例之光纖雷射裝置31未設有偏光元件。此情況下，從脈波振盪器2至第3波長濾波器8全部是單一偏光部14，偏振保持光纖17使用於全部之光纖。

附帶一提，本發明之技術範圍並不限定於上述實施形態，可在不超脫本發明之旨趣之範圍施加各式各樣之變更。

舉例來說，上述之實施形態雖然是顯示藉由光纖來構成第1、第2拉曼波長轉換部之例，但第1、第2拉曼波長轉換部可以不是一定要藉由光纖來構成。關於第1、第2拉曼波長轉換部，舉例來說，亦可以是使用讓受激拉曼散射效應發生之非線形光學結晶等。

其他，關於光纖雷射裝置之各構成要素之具體構成、及振盪波長、放大波長、波長濾波器之穿透波長及阻止波長等亦不限於上述實施形態，可適宜變更。

[產業利用性]

本發明舉例來說可使用在用於材料加工等之光纖雷射裝置。

1‧‧‧光纖雷射裝置

2‧‧‧脈波振盪器(第1光放大器)

3‧‧‧第1波長濾波器

4‧‧‧第1拉曼波長轉換部

5‧‧‧第2波長濾波器

6‧‧‧光放大器(第2光放大器)

7‧‧‧第2拉曼波長轉換部

8‧‧‧第3波長濾波器

Claims (9)

1. 一種光纖雷射裝置，其特徵在於包含：第1光放大器，輸出第1波長之光；第1波長濾波器，與前述第1光放大器光學地結合，讓前述第1波長之光穿透，將前述第1波長以外之波長之光遮斷；第1拉曼波長轉換部，與前述第1波長濾波器光學地結合，發生受激拉曼散射效應，將來自前述第1波長濾波器之輸出光轉換成第2波長之光，該第2波長比前述第1波長還長；第2波長濾波器，與前述第1拉曼波長轉換部光學地結合，讓前述第2波長之光穿透，將前述第2波長以外之波長之光遮斷；第2光放大器，與前述第2波長濾波器光學地結合，將來自前述第2波長濾波器之輸出光放大；第2拉曼波長轉換部，與前述第2光放大器光學地結合，發生受激拉曼散射效應，將來自前述第2光放大器之輸出光轉換成第3波長之光，該第3波長比前述第2波長還長；第3波長濾波器，與前述第2拉曼波長轉換部光學地結合，讓前述第3波長之光穿透，將前述第3波長以外之波長之光遮斷。
2. 如請求項1之光纖雷射裝置，其中前述第1拉曼波長轉換 部是以第1光纖構成，前述第2拉曼波長轉換部是以第2光纖構成；前述第2光纖之核心直徑比前述第1光纖之核心直徑還大；前述第2光纖之長度比前述第1光纖之長度還短。
3. 如請求項1或2之光纖雷射裝置，其中前述第2光放大器具備有摻Yb光纖而作為放大用光纖；從前述第2光放大器輸出之光之波長比1060nm還長。
4. 如請求項1或2之光纖雷射裝置，其中從前述第2拉曼波長轉換部之輸入用光纖至輸出用光纖為止之光纖的V值比2.4還小。
5. 如請求項1或2之光纖雷射裝置，其中至少一部分使用偏振保持光纖，輸出單一偏光。
6. 如請求項3之光纖雷射裝置，其中從前述第2拉曼波長轉換部之輸入用光纖至輸出用光纖為止之光纖的V值比2.4還小。
7. 如請求項3之光纖雷射裝置，其中至少一部分使用偏振保持光纖，輸出單一偏光。
8. 如請求項4之光纖雷射裝置，其中至少一部分使用偏振保持光纖，輸出單一偏光。
9. 如請求項6之光纖雷射裝置，其中至少一部分使用偏振保持光纖，輸出單一偏光。