JP7804482B2 - ファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザ装置に係り、特にレーザ光を出力するデリバリファイバを含むファイバレーザ装置に関するものである。

ファイバレーザは、従来から金属材料の加工に用いられてきた炭酸ガスレーザと比べると、そのビーム品質が良く、ビームスポットを小さくすることができ、またパワー密度も大きいため、近年、金属材料などの切断や溶接、切削などの加工を行うために用いられることが多くなってきている。しかし、銅やアルミニウムなどの材料は、ファイバレーザの発振波長の光に対する吸収率が鉄などと比べて低く、これらの材料を加工するためには高いパワー密度のビームを照射する必要があり、従来から広く普及しているマルチモードファイバレーザでは加工が難しい。このため、銅やアルミニウムなどの材料を加工する際には、発振されるレーザ光の大部分が基本モードからなり、マルチモードファイバレーザに比べて高いパワー密度のレーザ光を出射可能なシングルモードファイバレーザを使用することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。

一般的に、シングルモードファイバレーザから出力されるレーザ光は、図４Ａに示すようなガウシアン形のビームプロファイルを有しているが、このようなガウシアン形のビームプロファイルにおいてはビームの中心部分のパワー密度が特に高くなる。しかしながら、中心部分のパワー密度が高くなることで、レーザ加工を行う際にレーザ光の照射により溶融した金属がさらに蒸発して加工スポットの周囲に飛散する現象（スパッタ）が生じやすくなる。このようなスパッタ現象が発生すると、金属材料の強度の低下や外観的な不良が生じ、レーザ加工の品質が低下する。このため、ファイバレーザから出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつも、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善できる技術が求められている。

特開２００７－１３９８５７号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善する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。

本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバとを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。この多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域とを含む。上記クラッド領域に対する上記外側コア領域の比屈折率差は０．１％～０．１５％である。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示すファイバレーザ装置における増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示すファイバレーザ装置におけるデリバリファイバの構造を屈折率とともに模式的に示す断面図である。 図４Ａは、シングルモードファイバレーザから出力されるレーザ光のビームプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図４Ｂは、図１に示すファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図４Ｃは、図１に示すファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルの他の例を模式的に示す図である。 図５は、同一のパワーを有するレーザ光におけるビームプロファイルの違いを説明するための模式図である。 図６は、図１に示すファイバレーザ装置の変形例を模式的に示す図である。 図７は、本発明の第２の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係るファイバレーザ装置の実施形態について図１から図７を参照して詳細に説明する。図１から図７において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図７においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、光共振器２と、光共振器２の一端側（上流側）から光共振器２に励起光を供給する複数の励起光源３と、複数の励起光源３から出力される励起光を結合して光共振器２に導入する光コンバイナ４と、光共振器２の他端側（下流側）に接続されるデリバリファイバ５とを含んでいる。デリバリファイバ５は、レーザ光Ｌを出力可能な出力端６を有している。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、光共振器２からデリバリファイバ５の出力端６に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

光共振器２は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバ１０と、所定の波長帯（例えば１０７０ｎｍ）の光を高い反射率（例えば１００％近い反射率）で反射する高反射部２１と、この波長の光を高反射部２１よりも低い反射率（例えば１０％の反射率）で反射する低反射部２２とを含んでいる。高反射部２１及び低反射部２２は、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図１に示す例では、高反射部２１及び低反射部２２をファイバブラッググレーティングにより構成している。

高反射部２１と増幅用光ファイバ１０とは融着接続部３１において互いに融着接続されており、高反射部２１と光コンバイナ４の光ファイバ４Ａとは融着接続部３２において互いに融着接続されている。また、低反射部２２と増幅用光ファイバ１０とは融着接続部３３において互いに融着接続されており、低反射部２２とデリバリファイバ５とは融着接続部３４において互いに融着接続されている。

図２は、増幅用光ファイバ１０の構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド層１２と、内側クラッド層１２の周囲を覆う外側クラッド層１３とを有している。コア１１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。コア１１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。

内側クラッド層１２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、コア１１の内側には光導波路が形成される。外側クラッド層１３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層１３の屈折率は内側クラッド層１２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層１２の内側にも光導波路が形成される。

励起光源３のそれぞれは、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光を生成するものである。励起光源３から延びる光ファイバ３Ａは、融着接続部３５において光コンバイナ４の光ファイバ４Ｂと融着接続されている。光コンバイナ４は、複数の励起光源３から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するように構成されている。

図３は、デリバリファイバ５の構造を屈折率とともに模式的に示す断面図である。図３に示すように、デリバリファイバ５は、コア５０と、コア５０の周囲を覆うクラッド５１と、クラッド５１の周囲を覆う被覆層５２とを有している。クラッド５１の屈折率はコア５０の屈折率よりも低くなっており、コア５０の内側には光導波路が形成される。例えば、コア５０は石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加することにより形成され、クラッド５１は石英から形成される。クラッド５１の屈折率は例えば１．４５である。

本実施形態におけるデリバリファイバ５は、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域から構成される多段屈折率構造６０を有している。具体的には、図３に示すように、デリバリファイバ５は、コア５０の中心に位置し、クラッド５１の屈折率以上の屈折率を有する中心コア領域６１と、中心コア領域６１の周囲を覆い、中心コア領域６１の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域６２と、外側コア領域６２の周囲を覆い、中心コア領域６１の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域６３とから構成される多段屈折率構造６０を有している。例えばクラッド領域６３に対する中心コア領域６１の比屈折率差は０．０１％～０．０９％、クラッド領域６３に対する外側コア領域６２の比屈折率差は０．１％～０．１５％である。

光共振器２において、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。Ｙｂの励起により生じた自然放出光は、高反射部２１と低反射部２２との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ１０のコア１１内を伝搬し、その一部が低反射部２２を透過して下流側に伝搬する。低反射部２２を透過したレーザ光Ｌは、デリバリファイバ５を通って出力端６から例えば金属材料などの加工対象物Ｗに向けて出射される。

本実施形態におけるデリバリファイバ５のコア５０は、増幅用光ファイバ１０において増幅されるレーザ光の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が伝搬する場合に、シングルモードの光又はフューモードの光が伝搬できるように構成されている。例えば、フューモードの光が伝搬できるようにコア５０が構成されている場合、基本モードであるＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ１１モードの光もコア５０を伝搬する。ここで、フューモードとは２から１０程度のＬＰ（Linearly Polarized）モードを意味する。このように、デリバリファイバ５のコア５０にシングルモードの光又はフューモードの光を伝搬させるようにすることで、デリバリファイバ５のコア５０にマルチモードの光を伝搬させる場合と比較して、出力されるレーザ光のパワー密度を上げることができる。

本実施形態におけるデリバリファイバ５は、上述したような多段屈折率構造６０を有しており、クラッド領域６３に対する中心コア領域６１の比屈折率差が外側コア領域６２の比屈折率差よりも小さいため、外側コア領域６２における光の閉じ込め効果が中心コア領域６１における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造６０にレーザ光を伝搬させると、図４Ａに示すようなガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域６１におけるパワー密度を低くすることができる。このため、デリバリファイバ５の出力端６からは、図４Ｂに示すようなリング形のビームプロファイルや図４Ｃに示すようなトップハット形のビームプロファイルのレーザ光Ｌを出射することができる。

図５は、同一のパワーを有するレーザ光におけるビームプロファイル（光強度分布）の違いを説明するための模式図である。図５では、従来のシングルモードファイバレーザから出射されるガウシアン形のビームプロファイルと、上述した多段屈折率構造６０を有するデリバリファイバ５を用いたファイバレーザ装置１から出射されるリング形のビームプロファイルとが示されている。図５に示すように、ガウシアン形のビームプロファイルを有するレーザ光では、中心部分の光強度が半径方向外側の光強度に比べて特に高い（図５のＡで示す部分参照）。上述したように、この中心部分のパワー密度の高さがスパッタ現象及びレーザ加工の品質の低下につながる。

一方、同一のパワーでリング形のビームプロファイルを有するレーザ光を照射したとき、中心部分のパワー密度はガウシアン形のビームプロファイルよりも下がり、半径方向外側のパワー密度はガウシアン形のビームプロファイルよりも高くなる（図５のＢで示す部分参照）。このように、リング形のビームプロファイルにおいてはパワー密度のピークをリング状にすることができる。したがって、レーザエネルギーの大部分が照射される領域をガウシアン形のビームプロファイルの場合と大きく変えることなく、中心部分における局所的なパワー密度をガウシアン形のビームプロファイルに比べて下げることができる。したがって、レーザ光の集光性を高く維持しつつも、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。これによってスパッタ現象が発生することが抑制される。

また、上述したリング形のビームプロファイルは、裾の部分に関してもガウス形のビームプロファイルに対して利点を有している。裾の部分の傾きが小さいと、照射されるレーザエネルギーが周囲に広がりやすいため、照射されたレーザ光による熱が周囲に影響を及ぼすことが考えられる。一方、裾の部分の傾きが大きいと、照射されるレーザエネルギーが周囲に広がりにくいため、意図する領域に集中的にレーザ光を照射することができる。図５に示すように、リング形のビームプロファイルの裾の部分は、ガウス形のビームプロファイルの裾の部分に比べて傾きが大きいので（図５のＣで示す部分参照）、このようなリング形のビームプロファイルを有するレーザ光を用いることで、意図する領域に集中的にレーザエネルギーを照射することができ、また周囲への熱の影響を低減することができる。

上述した実施形態においては、デリバリファイバ５は、その全長にわたって上述した多段屈折率構造６０を有しているものとして説明したが、上述したようにファイバレーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌの集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善するためには、少なくともデリバリファイバ５の出力端６において上述した多段屈折率構造６０を有していればよい。また、図６に示すように、デリバリファイバ５と低反射部２２との間に、多段屈折率構造６０を有していないデリバリファイバ７を接続してもよい。図６に示す例では、デリバリファイバ７と低反射部２２とが融着接続部３６で互いに融着接続され、デリバリファイバ７とデリバリファイバ５とが融着接続部３７で互いに融着接続される。

上述した実施形態におけるファイバレーザ装置１は、光共振器２の上流側から励起光を導入する前方励起型のファイバレーザ装置であったが、本発明は、光共振器２の下流側から励起光を導入する後方励起型のファイバレーザ装置にも適用できるものである。さらに、本発明は、図７に示すような光共振器２の両側から励起光を導入する双方励起型のファイバレーザ装置２０１にも適用できるものである。

図７に示すファイバレーザ装置２０１は、図１に示す構成に加えて、光共振器２の下流側から光共振器２に励起光を供給する複数の励起光源８と、複数の励起光源８から出力される励起光を結合して光共振器２に導入する光コンバイナ９とを含んでいる。低反射部２２と光コンバイナ９の光ファイバ９Ａとは融着接続部２３４において互いに融着接続されている。また、励起光源８から延びる光ファイバ８Ａは、融着接続部２３５において光コンバイナ９の光ファイバ９Ｂと融着接続されている。光コンバイナ９の光ファイバ９Ｃと上述したデリバリファイバ５とは融着接続部２３６において互いに融着接続されている。光コンバイナ９は、複数の励起光源８から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するとともに、光共振器２で増幅され、低反射部２２を透過したレーザ光をデリバリファイバ５のコア５０に導入するように構成されている。このような構成においても、デリバリファイバ５の少なくとも出力端６において上述した多段屈折率構造６０を採用することで、レーザ光の集光性を高く維持しつつ、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。

上述したそれぞれの例において、デリバリファイバ５に加えて、増幅用光ファイバ１０も多段屈折率構造を有していてもよい。すなわち、増幅用光ファイバ１０のコア１１が、コア１１の中心に位置し、内側クラッド層１２の屈折率以上の屈折率を有する中心コア領域と、この中心コア領域の周囲を覆い、中心コア領域の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域とによって構成され、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２が、コア１１の外側コア領域の周囲を覆い、コア１１の中心コア領域の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域によって構成されていてもよい。このように、増幅用光ファイバ１０も多段屈折率構造を有することで、コア１１を伝搬する光を外周側に引き寄せることができるので、実効コア断面積を大きくすることができる。したがって、コア１１を伝搬する光のパワー密度を下げることができ、非線形光学効果による影響を抑制することができる。

また、レーザ光は、光共振器２の高反射部２１からデリバリファイバ５の出力端６に至るまでの導波路を伝搬するが、この導波路は複数の光ファイバ部品を接続することで構成されている。これらの異なる光ファイバ部品間では光損失が生じると考えられるため、光共振器２の高反射部２１からデリバリファイバ５の出力端６に至るまでの導波路をすべて上述した多段屈折率構造とし、光ファイバ部品間での光損失を低減してもよい。具体的には、図１に示す例では、高反射部２１を含む光ファイバ、増幅用光ファイバ１０、低反射部２２を含む光ファイバ、及びデリバリファイバ５を多段屈折率構造としてもよい。また、図７に示す例では、高反射部２１を含む光ファイバ、増幅用光ファイバ１０、低反射部２２を含む光ファイバ、光コンバイナ９、及びデリバリファイバ５を多段屈折率構造としてもよい。

以上述べたように、本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバとを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。この多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域とを含む。

このようなファイバレーザ装置によれば、デリバリファイバの少なくとも出力端が多段屈折率構造を有しているため、デリバリファイバの少なくとも出力端において外側コア領域における光の閉じ込め効果が中心コア領域における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造にレーザ光を伝搬させることにより、ガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域におけるパワー密度を低くしたレーザ光を出射することができる。これにより、レーザ光の集光性を高く維持しつつ、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。

上記デリバリファイバは、上記デリバリファイバの全長にわたって上記多段屈折率構造を有していてもよい。

上記増幅用光ファイバが上記多段屈折率構造を有していてもよい。このように多段屈折率構造を有する増幅用光ファイバを用いることで、増幅用光ファイバのコアを伝搬する光を外周側に引き寄せることができるので、実効コア断面積を大きくすることができる。したがって、増幅用光ファイバのコアを伝搬する光のパワー密度を下げることができ、非線形光学効果による影響を抑制することができる。

上記ファイバレーザ装置は、上記増幅用光ファイバの上流側に接続され、上記増幅用光ファイバで増幅される光を第１の反射率で反射する高反射部と、上記増幅用光ファイバの下流側に接続され、上記増幅用光ファイバで増幅される光を上記第１の反射率よりも低い第２の反射率で反射する低反射部とをさらに備えていてもよい。少なくとも上記高反射部から上記デリバリファイバの上記出力端に至るまでの光導波路が上記多段屈折率構造を有していてもよい。このように少なくとも高反射部からデリバリファイバの出力端に至るまでの光導波路を同一の構造とすることで、異なる光ファイバ部品間での光損失を低減することができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１，２０１ ファイバレーザ装置
２ 光共振器
３，８ 励起光源
４，９ 光コンバイナ
５，７ デリバリファイバ
６ 出力端
１０ 増幅用光ファイバ
１１ コア
１２ 内側クラッド層
１３ 外側クラッド層
２１ 高反射部
２２ 低反射部
３１～３７，２３４～２３６ 融着接続部
５０ コア
５１ クラッド
５２ 被覆層
６０ 多段屈折率構造
６１ 中心コア領域
６２ 外側コア領域
６３ クラッド領域

Claims (4)

1. 活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、
   前記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、
   前記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、前記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバと
   を備え、
   前記デリバリファイバは、少なくとも前記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有し、
   前記多段屈折率構造は、
   前記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、
   前記中心コア領域の周囲を覆い、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、
   前記外側コア領域の周囲を覆い、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域と
   を含み、
   前記クラッド領域に対する前記外側コア領域の比屈折率差は０．１％～０．１５％である、
   ファイバレーザ装置。
2. 前記デリバリファイバは、前記デリバリファイバの全長にわたって前記多段屈折率構造を有する、請求項１に記載のファイバレーザ装置。
3. 前記増幅用光ファイバは前記多段屈折率構造を有する、請求項１又は２に記載のファイバレーザ装置。
4. 前記増幅用光ファイバの上流側に接続され、前記増幅用光ファイバで増幅される光を第１の反射率で反射する高反射部と、
   前記増幅用光ファイバの下流側に接続され、前記増幅用光ファイバで増幅される光を前記第１の反射率よりも低い第２の反射率で反射する低反射部と
   をさらに備え、
   少なくとも前記高反射部から前記デリバリファイバの前記出力端に至るまでの光導波路は前記多段屈折率構造を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。