JP6154364B2 - Fiber laser equipment - Google Patents
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Description
本発明は、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができるファイバレーザ装置に関する。 The present invention relates to a fiber laser device that can perform processing with light having a substantially rectangular pulse time waveform even when the pulse width is long.
レーザ光を用いて加工を行う加工機や、レーザ光を使ったメス等の医療機器等に用いるレーザ装置の一つとして、増幅用光ファイバにより種光を増幅して出射するファイバレーザ装置が用いられている。ファイバレーザ装置には、デューティー比(パルス周期に対するパルス光の幅の比)の小さいパルス状の光を出射するものがある。 A fiber laser device that amplifies and emits seed light using an optical fiber for amplification is used as one of laser devices used for processing machines that perform processing using laser light and medical devices such as scalpels that use laser light. It has been. Some fiber laser devices emit pulsed light having a small duty ratio (ratio of the width of the pulsed light to the pulse period).
このようなファイバレーザ装置から出射する光のパルス時間波形、すなわち1パルス当たりの光のパワーの時間的変化、及び、波長等は、被加工体の材料や厚さ等といった被加工体の性質や、被加工体を如何に加工するかといった加工方法等により決定される。例えば、パルス時間波形が概ね矩形状の光、すなわち、急峻に光のパワーが立ち上がり、一定の光のパワーを所定時間保って、急峻に光のパワーが立ち下がる形状の光を出射するファイバレーザ装置が求められる場合がある。 The pulse time waveform of light emitted from such a fiber laser device, that is, the temporal change in the power of light per pulse, the wavelength, and the like are the properties of the workpiece such as the material and thickness of the workpiece, It is determined by a processing method such as how to process the workpiece. For example, a fiber laser device that emits light having a substantially rectangular pulse time waveform, that is, light having a shape in which the power of the light steeply rises and the light power sharply falls while maintaining a constant light power for a predetermined time. May be required.
このようにパルス時間波形が矩形に近い形状の光を出射するファイバレーザ装置が求められる理由は次の通りである。すなわち、必要以上に高いパワーの光が被加工体に照射されると、被加工体からプラズマが発生して、発生したプラズマが光を吸収し、所望の加工ができなくなる場合がある。一方、低いパワーの光が被加工体に照射されると、被加工体をアブレーションすることができずに不要な発熱が生じ、被加工体において意図しない熱ひずみが生じる場合がある。このため、被加工体の材質や加工方法によっては、パルス時間波形が概ね矩形状の光を用いて加工を行いたいという要請があり、上記のファイバレーザ装置が求められるのである。 The reason why a fiber laser device that emits light having a pulse time waveform close to a rectangle is required is as follows. That is, when light having a higher power than necessary is irradiated onto the workpiece, plasma may be generated from the workpiece, and the generated plasma may absorb the light, preventing desired processing. On the other hand, when light of low power is irradiated on the workpiece, the workpiece cannot be ablated, and unnecessary heat generation occurs, which may cause unintended thermal distortion in the workpiece. For this reason, depending on the material of the workpiece and the processing method, there is a demand for processing using light having a substantially rectangular pulse time waveform, and the above-described fiber laser device is required.
下記特許文献1には、このようなパルス時間波形が概ね矩形状の光を出射しようとするファイバレーザ装置が記載されている。この特許文献1のファイバレーザ装置は、MO−PA(Master Oscillator−Power Amplifier)型のファイバレーザ装置であり、種光源(MO)は、パルス時間波形が概ね矩形状の種光を出射する。具体的には、この種光の時間波形は、立ち上がり時間が1n秒程度となる急峻な立ち上がり時間を有し、5n秒程度の所定時間一定のパワーが保たれ、立ち下がり時間が2n秒程度となる急峻な立ち下がり時間を有する。特許文献1によれば、当該種光がファイバ増幅器(PA)で増幅されて出射することで、ファイバレーザ装置は概ね矩形状の光を出射できるとしている。なお、その際、増幅された光の一部はラマンシフトされる。 Patent Document 1 listed below describes a fiber laser device that attempts to emit light having such a pulse time waveform that is substantially rectangular. The fiber laser device of Patent Document 1 is a MO-PA (Master Oscillator-Power Amplifier) type fiber laser device, and a seed light source (MO) emits seed light having a substantially rectangular pulse time waveform. Specifically, the time waveform of this seed light has a steep rise time with a rise time of about 1 nsec, a constant power is maintained for a predetermined time of about 5 nsec, and the fall time is about 2 nsec. Has a steep fall time. According to Patent Document 1, the fiber laser device can emit substantially rectangular light when the seed light is amplified by a fiber amplifier (PA) and emitted. At that time, part of the amplified light is Raman shifted.
しかし、ファイバ増幅器における1パルス内での光の増幅率は一定では無い。具体的には、パルスの立ち上がり側の光成分は高い増幅率で増幅される傾向があり、パルスの立ち下がり側に進むにつれ増幅率が低くなる傾向がある。従って、ファイバ増幅器から出射する光のパルス時間波形の形状は、ファイバ増幅器へ入力される種光のパルス時間波形の形状から変形し易く、特許文献1に記載のファイバレーザ装置のように種光源から出射する光のパルス時間波形が概ね矩形状の場合であっても、ファイバ増幅器から出射する光のパルス時間波形は矩形状から変形し易い。特にパルス幅が例えば100n秒といった具合に長い場合、すなわち1パルス当たりの時間が長い場合には、更にこの傾向が顕著となる。 However, the amplification factor of light within one pulse in the fiber amplifier is not constant. Specifically, the light component on the rising side of the pulse tends to be amplified with a high amplification factor, and the amplification factor tends to decrease as it proceeds toward the falling side of the pulse. Therefore, the shape of the pulse time waveform of the light emitted from the fiber amplifier is easily deformed from the shape of the pulse time waveform of the seed light input to the fiber amplifier, and from the seed light source as in the fiber laser device described in Patent Document 1. Even when the pulse time waveform of the emitted light is substantially rectangular, the pulse time waveform of the light emitted from the fiber amplifier is easily deformed from the rectangular shape. In particular, when the pulse width is long, such as 100 ns, that is, when the time per pulse is long, this tendency becomes more remarkable.
そこで、本発明は、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fiber laser device that can perform processing with light having a substantially rectangular pulse time waveform even when the pulse width is long.
本発明のファイバレーザ装置は、Qスイッチによりパルス状とされた所定波長の光を出射する種光源と、前記種光源から出射する前記所定波長の光を増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバから出射する前記所定波長の光の一次散乱光及び二次散乱光を誘導ラマン散乱により発生させる波長変換ユニットと、前記波長変換ユニットから出射する光が入射し、前記一次散乱光を透過すると共に前記所定波長の光及び前記二次散乱光の透過を抑制する光フィルタと、を備えることを特徴とするものである。 The fiber laser device of the present invention includes a seed light source that emits light of a predetermined wavelength that is pulsed by a Q switch, an amplification optical fiber that amplifies the light of the predetermined wavelength emitted from the seed light source, and the amplification light source A wavelength conversion unit that generates primary scattered light and secondary scattered light emitted from an optical fiber by stimulated Raman scattering, and light emitted from the wavelength conversion unit is incident and transmits the primary scattered light. And an optical filter that suppresses transmission of the light of the predetermined wavelength and the secondary scattered light.
Qスイッチによりパルス状とされた光のパルス時間波形は概ねガウス分布形状をしている。このような形状の光を増幅用光ファイバで増幅させると、当該形状を保ちつつ増幅させることができる。この性質は、増幅される光のパルス幅が長い場合であっても然程変わらない。そして、このガウス分布形状の光のうち、波長変換ユニットにおいてある特定のパワー密度より高いパワー密度となる光成分が誘導ラマン散乱により波長シフトして一次散乱光となる。一次散乱光とならない光成分は、ガウス分布形状における裾引き部分を含むパワー密度の低い光であり、所定波長のままとされる。また、一次散乱光のうち、上記特定のパワー密度とは別の特定のパワー密度よりも高いパワー密度となる光成分が誘導ラマン散乱により波長シフトして二次散乱光となる。二次散乱光となる光成分は、ガウス分布形状の頂点部分を含み、パワー密度の高い光である。一次散乱光のパルス時間波形は、ガウス分布形状の光から裾引き部分を含むパワー密度の低い光と頂点部分を含むパワー密度の高い光とが除かれるため、概ね矩形状となる。光フィルタでは、波長変換されない所定波長の光及び二次散乱光の透過が抑制され、一次散乱光は透過する。従って、このファイバレーザ装置は、パルス幅が長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光を出射することができる。このようにして本発明のファイバレーザ装置によれば、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができる。 The pulse time waveform of the light pulsed by the Q switch has a generally Gaussian distribution shape. When the light having such a shape is amplified by the amplification optical fiber, the light can be amplified while maintaining the shape. This property does not change so much even when the pulse width of the amplified light is long. Of the light having the Gaussian distribution shape, a light component having a power density higher than a specific power density in the wavelength conversion unit is shifted in wavelength by stimulated Raman scattering to become primary scattered light. The light component that does not become primary scattered light is light having a low power density including a tail portion in the Gaussian distribution shape, and is kept at a predetermined wavelength. Further, among the primary scattered light, a light component having a power density higher than a specific power density different from the specific power density is wavelength-shifted by stimulated Raman scattering to become secondary scattered light. The light component that becomes the secondary scattered light is light having a high power density, including the apex portion of the Gaussian distribution shape. The pulse time waveform of the primary scattered light has a generally rectangular shape because light having a low power density including the tailing portion and light having a high power density including the apex portion are removed from the light having a Gaussian distribution shape. In the optical filter, transmission of light having a predetermined wavelength that is not wavelength-converted and secondary scattered light is suppressed, and primary scattered light is transmitted. Therefore, this fiber laser device can emit light having a substantially rectangular pulse time waveform even when the pulse width is long. As described above, according to the fiber laser device of the present invention, even when the pulse width is long, processing can be performed with light having a substantially rectangular pulse time waveform.
或いは、本発明のファイバレーザ装置は、Qスイッチによりパルス状とされた所定波長の光を出射する種光源と、前記種光源から出射する前記所定波長の光を増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバから出射する前記所定波長の光の一次散乱光及び二次散乱光を誘導ラマン散乱により発生させる波長変換ユニットと、前記波長変換ユニットから出射する光が入射し、前記一次散乱光及び前記二次散乱光を透過すると共に前記所定波長の光の透過を抑制する光フィルタと、を備え、前記フィルタから出射する光は、前記一次散乱光を吸収し前記二次散乱光を透過する被加工体に照射されることを特徴とするものである。 Alternatively, the fiber laser device of the present invention includes a seed light source that emits light of a predetermined wavelength that is pulsed by a Q switch, an amplification optical fiber that amplifies the light of the predetermined wavelength emitted from the seed light source, A wavelength conversion unit for generating primary scattered light and secondary scattered light of the predetermined wavelength emitted from the amplification optical fiber by stimulated Raman scattering, light emitted from the wavelength conversion unit is incident, and the primary scattered light and An optical filter that transmits the secondary scattered light and suppresses transmission of the light having the predetermined wavelength, and the light emitted from the filter absorbs the primary scattered light and transmits the secondary scattered light. The workpiece is irradiated with light.
このファイバレーザ装置では、ガウス分布形状における裾引き部分を含む低パワー密度の光は、光フィルタで透過が抑制される。また、二次散乱光となる高パワー密度の光はファイバレーザ装置から出射されるものの被加工体を透過する。従って、このファイバレーザ装置は、一次散乱光により被加工体を加工することができる。この一次散乱光のパルス時間波形は、上記のように概ね矩形状とされる。従って、このファイバレーザ装置によっても、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができる。 In this fiber laser device, transmission of low power density light including a tail portion in a Gaussian distribution shape is suppressed by an optical filter. In addition, light having a high power density, which becomes secondary scattered light, is emitted from the fiber laser device but passes through the workpiece. Therefore, this fiber laser device can process the workpiece by the primary scattered light. The pulse time waveform of the primary scattered light is generally rectangular as described above. Therefore, even with this fiber laser device, even when the pulse width is long, processing can be performed with light having a substantially rectangular pulse time waveform.
また、上記のファイバレーザ装置において、前記一次散乱光のパルス幅の長さは100n秒以上とされることが好ましい。100n秒以上という長いパルス幅の光であっても、本発明のファイバレーザ装置によれば、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができる。このように長いパルス幅の光により加工を行うことにより、一次散乱光の吸収率が低い材料を深い位置まで加工することができる。 In the above fiber laser device, it is preferable that the primary scattered light has a pulse width of 100 nsec or more. Even with light having a long pulse width of 100 nsec or longer, according to the fiber laser device of the present invention, processing can be performed with light having a pulse time waveform that is substantially rectangular. By processing with light having such a long pulse width, a material having a low primary scattered light absorption rate can be processed to a deep position.
さらに、この場合、前記一次散乱光のパルス幅の長さは500n秒以下とされることとしても良い。パルス幅が500n秒以下の光は、Qスイッチ発振で容易に得ることができる。 Further, in this case, the pulse width of the primary scattered light may be 500 nsec or less. Light having a pulse width of 500 nsec or less can be easily obtained by Q-switch oscillation.
以上説明したように、本発明によれば、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができるファイバレーザ装置が提供される。 As described above, according to the present invention, there is provided a fiber laser device that can perform processing with light having a substantially rectangular pulse time waveform even when the pulse width is long.
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a fiber laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a fiber laser device according to a first embodiment of the present invention.
図1に示すように、ファイバレーザ装置1は、種光を出射する種光源10と、種光源を増幅するアンプ部20と、波長変換ユニット30と、光フィルタ40とを備える。このようにファイバレーザ装置1は、種光源10がMO(Master Oscillator)とされ、アンプ部20がPA(Power Amplifier)とされるMO−PA型のファイバレーザ装置である。
As shown in FIG. 1, the fiber laser device 1 includes a
種光源10は、連続光を出射する連続光発生部11と、Qスイッチ12とを主な構成として有する。連続光発生部11は、例えば、レーザダイオード、ファブリペロー型のファイバレーザ装置や固体レーザ装置等から構成される。Qスイッチ12は、例えば、電気信号で外部から制御できるA/O素子(音響光学素子)から構成され、連続光発生部11からの光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すように制御される。
The
Qスイッチ12がこのように制御されることにより、種光源10からはパルス状の種光が出射する。この種光のパルス時間形状はガウス分布形状とされる。この種光の波長は、例えば1064nmや1080nmとされる。種光源10から出射する種光は、光ファイバ15に入射し、光ファイバ15のコアを伝搬する。光ファイバ15は、例えばシングルモードファイバとされ、この場合、種光は光ファイバ15をシングルモードの光として伝搬する。
By controlling the
アンプ部20は、励起光源21と、増幅用光ファイバ22と、光カプラ23とを主な構成として有する。
The
励起光源21は、複数のレーザダイオードを有して構成され、後述の増幅用光ファイバ22に添加される希土類元素を励起する波長の励起光、例えば波長が915nmの励起光を出射する。また、励起光源21のそれぞれのレーザダイオードから出射する励起光は、光ファイバ25に入射して、光ファイバ25を伝搬する。光ファイバ25としては、例えば、マルチモードファイバが挙げられ、この場合励起光は光ファイバ25内をマルチモード光として伝搬する。
The
増幅用光ファイバ22は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成される光ファイバである。コアは、励起光源21から出射する励起光により励起される希土類元素が添加された石英から成る。上記のように種光の波長が1064nmや1080nmである場合、添加される希土類としては、イッテルビウム(Yb)を挙げることができる。また、種光の波長が他の波長であれば他の希土類を用いることができ、上記Ybの他にツリウム(Tm)、セリウム(Ce)、ネオジウム(Nd)、ユーロピウム(Eu)、エルビウム(Er)等を添加することができる。また、内側クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低く、外側クラッドの屈折率は内側クラッドの屈折率よりもさらに低くされている。従って、コアには、上記希土類元素の他に、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素が添加されている。この場合、クラッドは、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英から成る。また、外側クラッドは、例えば、紫外線硬化樹脂から成り、被覆層は、例えば、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂から成る。
The amplification
光カプラ23は、光ファイバ15及びそれぞれの光ファイバ25と、増幅用光ファイバ22の入射端とを接続している。具体的には、光カプラ23において、光ファイバ15のコアが、増幅用光ファイバ22のコアに接続されており、さらにそれぞれの光ファイバ25のコアが、増幅用光ファイバ22の内側クラッドに接続されている。従って、種光源10から出射する種光は、増幅用光ファイバ22のコアに入射し、励起光源21から出射する励起光は、増幅用光ファイバ22の内側クラッドに入射する。増幅用光ファイバ22では、後述のように種光のパワーが増幅され、パワー密度の高い光が出射する。
The
波長変換ユニット30には、増幅用光ファイバ22から出射する光が入射する。波長変換ユニット30は、例えば光ファイバから成り、増幅用光ファイバ22で増幅された光が入射する場合に誘導ラマン散乱が生じて、この光の一次散乱光及び二次散乱光が生じるように構成させる。増幅用光ファイバ22から出射する光の波長が1064nmである場合、波長変換ユニットでは、波長が1120nmの一次散乱光及び波長が1175nmの二次散乱光が生じる。また、増幅用光ファイバ22から出射する光の波長が1080nmである場合、波長変換ユニットでは、波長が1135nmの一次散乱光及び波長が1190nmの二次散乱光が生じる。
Light emitted from the amplification
波長変換ユニット30が光ファイバから成り、波長が1064nmや1080nmでありパワーが4kWの光が入射する場合、この光ファイバは、例えば、コアの直径が9μmとされ、全長が40m程度のシングルモードファイバとされる。
When the
光フィルタ40には、波長変換ユニット30から出射する光が入射する。光フィルタ40は、増幅用光ファイバ22によって増幅された光の透過が抑制され、この光の一次散乱光を透過し、さらに、この光の二次散乱光の透過が抑制される。つまり、光フィルタ40は、上記一次散乱光を透過するバンドパスフィルタとされる。上述のように、波長変換ユニットから波長が1064nmの光、波長が1120nmの一次散乱光、及び、波長が1175nmの二次散乱光が出射する場合、例えば、波長が1090nm以下の光及び波長が1150nm以上の光の透過が抑制される構成とされる。また、上述のように、波長変換ユニットから波長が1080nmの光、波長が1135nmの一次散乱光、及び、波長が1190nmの二次散乱光が出射する場合、波長が1105nm以下の光及び波長が1165nm以上の光の透過が抑制される構成とされる。
The light emitted from the
このような光フィルタ40としては、ガラス上にフィルタ膜が形成された光フィルタを挙げることができる。このようなフィルタ膜としては、複数種類の誘電体膜が繰り返し積層された誘電体多層膜を挙げることができる。また、光フィルタ40は、増幅用光ファイバ22から出射する光の進行方向に対して、フィルタ面が傾斜して配置されることが好ましい。フィルタ面が傾斜して配置されることにより、光フィルタ40が非透過の光を反射する場合に、反射した光を適切に取り出し易いためである。
An example of such an
次に、このようなファイバレーザ装置1の動作について説明する。 Next, the operation of such a fiber laser device 1 will be described.
図2は、ファイバレーザ装置1を伝搬する光のパルス時間波形及び波長を示す図である。具体的には、図2は、種光源10から出射する光、アンプ部20から出射する光、波長変換ユニット30から出射する光、光フィルタ40から出射する光のそれぞれについて、パルス時間波形及び波長を示している。それぞれパルス時間波形及び波長を示す図において、縦軸が光のパワー密度を示し、横軸が時間を示す。なお、以下の説明では、種光源から波長が1064nmの光が出射する場合について説明する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a pulse time waveform and a wavelength of light propagating through the fiber laser device 1. Specifically, FIG. 2 shows a pulse time waveform and a wavelength for each of the light emitted from the
まず、種光源10のQスイッチ12は、予め定められた一定の周期で光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すようにスイッチング動作をする。そして、連続光発生部11から出射する光がこのスイッチング動作に同期したパルス状の光とされて、種光源10からパルス状の種光が一定の周期で出射する。図2に示すように、Qスイッチ12を用いた種光源10から出射する種光のパルス時間波形はガウス分布形状とされる。また、種光源10から出射する種光の波長は、上述のように1064nmとされる。種光源10から出射する種光は、光ファイバ15のコアを伝搬して、光カプラ23から増幅用光ファイバ22のコアに入射する。
First, the
なお、この種光のデューティー比は、例えば、「種光源10から種光が出射される周期時間」:「種光源10から種光が出射している期間(種光のパルス幅の長さ)」が10:1とされる。本実施形態では、光のパルス幅の長さは、後述のようにファイバレーザ装置1から出射する光のパルス幅の長さが100n秒以上400n秒以下となるような長さとされる。
The duty ratio of the seed light is, for example, “periodic time when seed light is emitted from the
また、励起光源21のそれぞれのレーザダイオードから励起光が出射する。励起光源21のそれぞれのレーザダイオードから出射する励起光の波長は、上述のように、例えば915nmとされる。そして、それぞれのレーザダイオードから出射する励起光は、光ファイバ25を伝搬し光カプラ23から増幅用光ファイバ22の内側クラッドに入射する。
In addition, excitation light is emitted from each laser diode of the
こうして光カプラ23から増幅用光ファイバ22のコアに入射した種光は当該コアを伝搬し、増幅用光ファイバの内側クラッドに入射した励起光は内側クラッドを主に伝搬する。増幅用光ファイバ22では、励起光がコアを通過する際にコアに添加されている希土類元素に吸収されて、希土類元素は励起される。そして、種光が増幅用光ファイバ22に入射していない期間では、希土類元素の励起状態が高くなる。一方、パルス状の種光が増幅用光ファイバ22に入射すると、励起された希土類元素は種光により誘導放出を起こし、この誘導放出により種光のパワーが増幅されて、増幅用光ファイバ22からパルス状の光が出射する。増幅用光ファイバ22は、パルス時間波形がガウス分布形状の光が入射すると、入射光に対してパワー密度が増幅したガウス分布形状の光を出射する。従って、図2に示すように、増幅用光ファイバ22からは、パルス時間波形が種光をパワー密度方向に延伸したガウス分布形状の光が出射する。
Thus, the seed light incident on the core of the amplification
増幅用光ファイバ22から出射した光は、波長変換ユニット30に入射する。波長変換ユニット30では、入射した光のうち、ある特定のパワー密度より高いパワー密度の光成分が波長1120nmの一次散乱光とされる。更に、波長変換ユニット30内において一次散乱光とされる光のうち、さらにパワー密度の高い光成分が波長1175nmの二次散乱光とされる。そして、波長変換ユニット30からは、波長変換されない光、一次散乱光及び二次散乱光が出射する。波長変換ユニット30から出射する光のパルス時間波形は、増幅用光ファイバ22から出射する光のパルス時間波形と同じである。このうち、図2に示すように、波長変換されない波長1064nmの光はガウス分布形状における裾引き部分を含むパワー密度の低い光であり、二次散乱光である波長1175nmの光はガウス分布形状の頂点部分を含むパワー密度の高い光である。そして、残りの一次散乱光である波長1120nmの光は、波長変換されない光と二次散乱光に挟まれた、パルス時間波形が概ね矩形状の光である。
The light emitted from the amplification
波長変換ユニット30から出射する光は、バンドパスフィルタである光フィルタ40に入射する。上記のように光フィルタ40は、増幅用光ファイバ22から出射する光及びこの光の二次散乱光の透過が抑制され、この光の一次散乱光を透過する。従って、一次散乱光である波長1120の光は光フィルタ40を透過し、パワー密度の低い波長1064nmの光及びパワー密度の高い波長1175nmの光の透過は抑制される。従って、光フィルタ40からは、パルス時間波形が概ね矩形状の光が出射する。図2では、光フィルタ40で透過が抑制される波長1060nmの光及び波長1175nmの光が破線で示されている。また、光フィルタ40から出射する光のパルス幅の長さは、100n秒以上400n秒以下とされる。
The light emitted from the
光フィルタ40を透過した光は、それ以上増幅されることなく、ファイバレーザ装置1から出射し、被加工体100に照射される。この被加工体100は波長1120nmの光を吸収する。従って、被加工体100は加工される。このように波長1120nmの光を吸収する被加工体の材料としては、例えば、ZnO,Si,Ge,Cu−Ln−Ga−Seを挙げることができる。特に、被加工体100が、波長1120nmの光を5〜50%で吸収する材料である場合、上記のようにパルス幅の長さが100n秒以上の長いパルス幅であることにより、深い位置まで光を侵入させて加工することができる。
The light transmitted through the
なお、上記説明では、種光源から波長が1064nmの光が出射する場合について説明したが、例えば、種光源から波長1080nmの光が出射する場合については、上記説明において一次散乱光の波長を1135nmとし、二次散乱光の波長を1190nmとすればよい。波長1135nmの光を吸収する被加工体の材料としては、例えば、Si,SnO,ITO(酸化インジウム・スズ)を挙げることができる。特に、被加工体100の材料がSi,SnOの場合には、波長1135nmの吸収率を5〜50%とすることができ、この場合にも被加工体100の深い位置まで光を侵入させて加工することができる。
In the above description, the case where light having a wavelength of 1064 nm is emitted from the seed light source has been described. For example, in the case where light having a wavelength of 1080 nm is emitted from the seed light source, the wavelength of the primary scattered light is set to 1135 nm in the above description. The wavelength of the secondary scattered light may be 1190 nm. Examples of the material of the workpiece that absorbs light having a wavelength of 1135 nm include Si, SnO, and ITO (indium tin oxide). In particular, when the material of the
以上説明したように、本実施形態のファイバレーザ装置1では、Qスイッチによりパルス状とされた種光を増幅しているため、増幅後の光のパルス時間波形も概ねガウス分布形状をしている。そして、光フィルタ40は、ガウス分布形状における裾引き部分を含むパワー密度の低い光(波長変換されない光)の透過を抑制するため、出射する光のパワー密度は急峻に立ち上がり、急峻に立ち下がる。また、光フィルタ40は、ガウス分布形状における頂点部分を含むパワー密度の高い光(二次散乱光とされる光)の透過も抑制する。従って、パワー密度の立ち上がり後から立ち下がり前まで一定のパワー密度を保つことができる。これは、パルス幅が長い場合であっても然程変わらない。こうして、本実施形態のファイバレーザ装置1によれば、パルス幅の長い光であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光を出射することができ、この光で被加工体100の加工を行うことができる。
As described above, in the fiber laser device 1 of the present embodiment, since the seed light that has been pulsed by the Q switch is amplified, the pulse time waveform of the amplified light also has a substantially Gaussian distribution shape. . Then, the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図3を参照して詳細に説明する。なお、特に説明する場合を除き、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. Note that, unless otherwise specified, the same or equivalent components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態のファイバレーザ装置は、光フィルタ40が波長変換ユニット30で生じる二次散乱光を透過する点において、図1に示すファイバレーザ装置1と異なり、他の構成は、図1に示すファイバレーザ装置1と同様とされる。つまり、第1実施形態の光フィルタ40がバンドパスフィルタであったのに対し、本実施形態のファイバレーザ装置の光フィルタ40はハイパスフィルタとされる。
The fiber laser device of this embodiment is different from the fiber laser device 1 shown in FIG. 1 in that the
図3は、本実施形態に係るファイバレーザ装置を伝搬する光のパルス時間波形及び波長を図2と同様の手法で示す図である。図3に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置では、波長変換ユニット30から出射する光は、第1実施形態のファイバレーザ装置1と同様とされる。従って、光フィルタ40には、波長変換されない光、一次散乱光、及び、二次散乱光が入射する。光フィルタ40では、波長変換されない光の透過が抑制されるため、光フィルタ40からは一次散乱光及び二次散乱光が出射する。
FIG. 3 is a diagram showing a pulse time waveform and a wavelength of light propagating through the fiber laser device according to the present embodiment by the same method as in FIG. As shown in FIG. 3, in the fiber laser device of this embodiment, the light emitted from the
出射した光は、被加工体100に照射される。しかし、本実施形態の被加工体100は、一次散乱光を吸収するものの、二次散乱光と透過する材料から成る。このような材料としては、第1実施形態で例示したように一次散乱光の波長が1120nmであり二次散乱光の波長が1175nmである場合、例えば、ZnO,Si,Ge,Cu−In−Ga−Se,を挙げることができる。また、このような材料として、一次散乱光の波長が1135nmであり二次散乱光の波長が1190nmである場合、例えば、Si,SnO,ITOを挙げることができる。
The emitted light is applied to the
図3に示すように、一次散乱光のパルス時間波形は、第1実施形態と同様にして、概ね矩形状をしている。従って、本実施形態のファイバレーザ装置によっても、被加工体100を選ぶことにより、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができる。
As shown in FIG. 3, the pulse time waveform of the primary scattered light is substantially rectangular as in the first embodiment. Therefore, even with the fiber laser device of this embodiment, by selecting the
以上、本発明について、第1、第2実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention has been described above by taking the first and second embodiments as examples, but the present invention is not limited to these.
例えば、光の波長は、上記実施形態で例示した波長に限らない。また、波長変換ユニット30は、光ファイバから構成されなくても良い。また、光フィルタ40が誘電体多層膜以外から成るものであっても良い。
For example, the wavelength of light is not limited to the wavelength exemplified in the above embodiment. Moreover, the
また、光のパルス幅は、100n秒より短くても良く、500n秒よりも長くても良い。ただし、光のパルス幅が100n秒以上という長いパルス幅の光により加工を行うことにより、一次散乱光の吸収率が低い材料を深い位置まで加工することができる。また、光のパルス幅が500n秒以下は、Qスイッチ発信により容易に得ることができる。 The pulse width of light may be shorter than 100 nsec or may be longer than 500 nsec. However, by processing with light having a long pulse width of 100 ns or more, the material having a low primary scattered light absorption rate can be processed to a deep position. In addition, a light pulse width of 500 nsec or less can be easily obtained by Q switch transmission.
以上説明したように、本発明によれば、パルス幅の長い場合であっても、パルス時間波形が概ね矩形状の光で加工を行うことができるファイバレーザ装置が提供され、加工機や、医療機器といったレーザ光を用いる分野での利用が期待される。 As described above, according to the present invention, there is provided a fiber laser device that can perform processing with light having a substantially rectangular pulse time waveform even when the pulse width is long. It is expected to be used in the field of laser light such as equipment.
1・・・ファイバレーザ装置
5・・・光出射部
10・・・種光源
12・・・Qスイッチ
20・・・アンプ部
21・・・励起光源
22・・・増幅用光ファイバ
25・・・光ファイバ
30・・・波長変換ユニット
40・・・光フィルタ
100・・・被加工体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fiber laser apparatus 5 ...
Claims (5)
前記種光源から出射する前記所定波長の光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバから出射する前記所定波長の光の一次散乱光及び二次散乱光を誘導ラマン散乱により発生させる波長変換ユニットと、
前記波長変換ユニットから出射する光が入射し、前記一次散乱光を透過すると共に前記所定波長の光及び前記二次散乱光の透過を抑制する光フィルタと、
を備える
ことを特徴とするファイバレーザ装置。 A seed light source that emits light of a predetermined wavelength pulsed by a Q switch;
An amplification optical fiber that amplifies the light of the predetermined wavelength emitted from the seed light source;
A wavelength conversion unit that generates primary scattered light and secondary scattered light of the predetermined wavelength emitted from the amplification optical fiber by stimulated Raman scattering; and
An optical filter that receives light emitted from the wavelength conversion unit, transmits the primary scattered light, and suppresses transmission of the light of the predetermined wavelength and the secondary scattered light;
A fiber laser device comprising:
前記種光源から出射する前記所定波長の光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバから出射する前記所定波長の光の一次散乱光及び二次散乱光を誘導ラマン散乱により発生させる波長変換ユニットと、
前記波長変換ユニットから出射する光が入射し、前記一次散乱光及び前記二次散乱光を透過すると共に前記所定波長の光の透過を抑制する光フィルタと、
を備え、
前記フィルタから出射する光は、前記一次散乱光を吸収し前記二次散乱光を透過する被加工体に照射される
ことを特徴とするファイバレーザ装置。 A seed light source that emits light of a predetermined wavelength pulsed by a Q switch;
An amplification optical fiber that amplifies the light of the predetermined wavelength emitted from the seed light source;
A wavelength conversion unit that generates primary scattered light and secondary scattered light of the predetermined wavelength emitted from the amplification optical fiber by stimulated Raman scattering; and
An optical filter that receives light emitted from the wavelength conversion unit, transmits the primary scattered light and the secondary scattered light, and suppresses transmission of light of the predetermined wavelength; and
With
The light emitted from the filter is irradiated to a workpiece that absorbs the primary scattered light and transmits the secondary scattered light.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のファイバレーザ装置。 3. The fiber laser device according to claim 1, wherein a pulse width of the primary scattered light is 100 nsec or longer.
ことを特徴とする請求項3に記載のファイバレーザ装置。 4. The fiber laser device according to claim 3, wherein the length of the pulse width of the primary scattered light is 500 nsec or less.
種光源からQスイッチによりパルス状とされた所定波長の光を出射させ、 The seed light source emits light of a predetermined wavelength that is pulsed by a Q switch,
前記種光源から出射する前記所定波長の光を増幅用光ファイバで増幅させ、 Amplifying the light of the predetermined wavelength emitted from the seed light source with an amplification optical fiber;
前記増幅用光ファイバから出射する前記所定波長の光の一次散乱光及び二次散乱光を波長変換ユニットにおいて誘導ラマン散乱により発生させ、 The primary scattered light and the secondary scattered light emitted from the amplification optical fiber are generated by stimulated Raman scattering in the wavelength conversion unit, and
前記波長変換ユニットから出射する光が入射する光フィルタにおいて、前記一次散乱光及び前記二次散乱光を透過させると共に前記所定波長の光の透過を抑制させ、 In the optical filter on which the light emitted from the wavelength conversion unit is incident, the first scattered light and the second scattered light are transmitted and the transmission of the light having the predetermined wavelength is suppressed.
前記フィルタから出射する光を、前記一次散乱光を吸収し前記二次散乱光を透過する被加工体に照射させる The light emitted from the filter is irradiated to a workpiece that absorbs the primary scattered light and transmits the secondary scattered light.
ことを特徴とする被加工体の加工方法。A processing method for a workpiece characterized by the above.
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