JP2012243789A - ファイバレーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、高価な高出力用の光アイソレータを不要とし、しかも反射戻り光による光源や光学部品の損傷をより確実に防止できるようにする。
【解決手段】このファイバレーザ加工装置は、シード光発生部１０、アクティブファイバ１２、波長変換ファイバ１４および光ビーム照射部１６を光アイソレータ１８、光結合器２０および光フィルタ２２，２４を介して光学的に縦続接続している。第１の光フィルタ２２は、シード光の波長のみを選択的に透過する。波長変換ファイバ１４は、高パワーのポンプ光から誘導ラマン散乱光を生成するための非線形媒質として機能する。第２の光フィルタ２４は、波長変換ファイバ１４の出力端より出力される光ビームの中から誘導ラマン散乱光（ＳＲＳ光）の波長帯域の全部または一部のみを選択的に透過する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シード光を光ファイバの中で増幅して得られる光ビームを被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

最近、ファイバレーザで生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が普及している。その中で、ＭＯＰＡ（Master Oscillator _ Power Amplifier）方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。

ファイバＭＯＰＡ方式は、コアにＹｂ等の希土類元素を添加した光ファイバをレーザ増幅用のアクティブファイバに使用し、シードレーザで生成した低出力のシード光を一端からアクティブファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起光で励起することによって、コアの中でシード光を高出力の加工用の光ビームに増幅または変換するものであり、光／光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。

しかしながら、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、加工用の光ビームを被加工物に照射した際に、被加工物からの反射光の一部がレーザ出射光学系およびレーザ伝送光学系を逆方向に伝搬してアクティブファイバに戻ってくることがある。このような反射戻り光は、アクティブファイバの中で増幅され、アクティブファイバ、シードＬＤ、励起光源等にダメージを与える。

この問題に対して、従来は、アクティブファイバの後段の光伝送路に光アイソレータを挿入して、被加工物からの反射戻り光を光アイソレータによって阻止するようにしている。この種の光アイソレータは、偏光素子やファラデー回転子等の光学部品からなり、順方向の光（加工用の光ビーム）を通過し、逆方向の光（反射戻り光）を遮断する機能を有している。

米国特許第６２７５２５０号

上記のようにアクティブファイバの後段に設けられる光アイソレータは、高出力のファイバレーザ用であるため、サイズが大きいうえ価格が非常に高い。一般に、光のパワーが高いほど、光アイソレータは高価になる。

また、通常の光アイソレータの逆方向透過率または逆方向挿入損失は−３０ｄＢ程度であり、僅かながら反射戻り光の一部を透過する。ところが、光アイソレータを通り抜けた僅かな反射戻り光がアクティブファイバを逆方向に伝搬する間に高パワーに増幅され、ＭＯＰＡレーザ内の光源や光学部品を損傷する原因になることがある。

また、光アイソレータの逆方向透過率には波長依存性があり、使用波長が決められている。このため、たとえばシード光源の温度特性によってシード光の波長が変動し、ひいては反射戻り光の波長が使用波長から外れると、逆方向透過率が標準値の−３０ｄＢからたとえば−２５ｄＢまで低下して、仕様の遮断性能が保証されなくなる。さらに、光アイソレータには通常１．０ｄＢ程度の順方向損失がある。この順方向損失にも上記と同様の波長依存性があり、シード光の波長が使用波長から外れると、順方向損失が一気に増大する。なお、使用波長を拡げることは、光アイソレータの製作上非常に困難である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、高価な高出力用の光アイソレータを不要とし、しかも反射戻り光による光源や光学部品の損傷をより確実に防止できるようにしたＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供する。

本発明の第１の観点におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を発生するシード光発生部と、希土類元素を添加したコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、前記シード光発生部および前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、光学的に非線形なコアを有し、前記増幅用光ファイバより出力される前記シード光と同一波長の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、前記増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第１の光フィルタと、前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第２の光フィルタとを有する。

上記構成においては、微弱なパワーのシード光を増幅用光ファイバにより増幅し、それによって得られる高パワーのポンプ光を第１の光フィルタを介して波長変換用光ファイバに注入し、波長変換用光ファイバの中で誘導ラマン散乱光を発生させる。そして、波長変換用光ファイバの出力端より出た光ビームの中から第２の光フィルタにより誘導ラマン散乱光を抽出してこれを加工用光ビームに用いる。レーザ加工中に、被加工物から反射光の一部が戻り光として光ビーム照射部、第２の光フィルタおよび波長変換用光ファイバを逆方向に伝搬して来ることがある。しかし、こうした反射戻り光は、増幅用光ファイバに入る前に第１の光フィルタによって遮断される。

本発明の第２の観点におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を発生するシード光発生部と、希土類元素を添加した第１のコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記第１のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅する第１の増幅用光ファイバと、前記第１の増幅用光ファイバの第１のコアを励起するための第１の励起光を発生する第１の励起光源と、前記シード光発生部および前記第１の励起光源を前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、希土類元素を添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端より出力される第１段増幅の光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅の光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅する第２の増幅用光ファイバと、前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起光源と、前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起光源を前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、光学的に非線形なコアを有し、前記第２の増幅用光ファイバより出力される第２段増幅の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、前記第２の増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第１の光フィルタと、前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第２の光フィルタとを有する。

上記の構成においては、反射戻り光対策として上記第１の観点におけるファイバレーザ加工装置と同様の作用効果が得られるとともに、複数の増幅用光ファイバつまり光アンプをカスケード接続する構成により、シード光のパワーを可及的に低くしつつポンプ光および加工用光ビームのパワーをより任意または自由に高くすることができる。

本発明のレーザ加工方法は、レーザダイオードを用いてスペクトルの中心波長が１０６０ｎｍ付近にあるシード光を生成する工程と、前記シード光を励起光と一緒に増幅用光ファイバのコアの中を伝搬させながら誘導放出により増幅する工程と、前記増幅用光ファイバより出力された光の中から、第１の光フィルタを用いて前記第１のシード光と同じ波長を有する光ビームをポンプ光として抽出する工程と、前記ポンプ光を光学的に非線形なコアを有する波長変換用光ファイバに導入して、前記波長変換用光ファイバ内で誘導ラマン散乱光を生成する工程と、前記波長変換用光ファイバより出力された光の中から、第２の光フィルタを用いて前記誘導ラマン散乱光の１０８０〜１３００ｎｍの波長成分を加工用レーザ光として抽出する工程と、所与の被加工物に前記加工用レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を施す工程とを有する。

上記の構成によれば、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工における反射戻り光の対策とレーザの高出力化とを最も効率的よく確実に両立させることができる。

本発明のファイバレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、最終出力端に高価な高出力用の光アイソレータを設けなくても、装置内の光源や光学部品の損傷を来すことなく被加工物からの反射戻り光を確実に遮断することができる。

また、本発明のレーザ加工方法によれば、装置内の光源や光学部品の破損を防止するとともに、高出力の光ビームによる高品質のレーザ加工を行うことができる。

本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 上記ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の各部における光ビームのパワーのパルス波形を示す図である。 上記ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の各部における光ビームの波長スペクトルを示す図である。 ポンプ光のピークパワー（１６ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 ポンプ光のピークパワー（１８ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 ポンプ光のピークパワー（２０ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 ポンプ光のピークパワー（２２ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 ポンプ光のピークパワー（２４ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 ポンプ光のピークパワー（２６ｋＷ）とＳＲＳ光の波長スペクトルとの関係を示す図である。 一変形例におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示す。このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、パルス波形のシード光を光ファイバの中で増幅して得られるパルス波形の光ビームを被加工物に照射して、マーキング、穴あけ等のレーザ加工を行えるようになっている。

このファイバレーザ加工装置は、主たる構成として、シード光発生部１０、増幅用光ファイバ（以下「アクティブファイバ」と称する）１２、波長変換用光ファイバ（以下「波長変換ファイバ」と称する）１４および光ビーム照射部１６を光アイソレータ１８、光結合器２０および光フィルタ２２，２４を介して光学的に縦続接続している。

シード光発生部１０は、シード用のレーザダイオード（以下「シードＬＤ」と称する。）２６と、このシードＬＤ２６をパルス波形の電流で駆動してパルス波形のシード光（ＬＤ光）を発生させるＬＤ駆動回路２８とを有している。シードＬＤ２６は、ファイバカップリングＬＤとして構成されており、スペクトル中心波長が１０６０ｎｍのパルス波形のシード光を数Ｗ以下の低いピークパワーＰ_Aで発振出力する。

シード光発生部１０とアクティブファイバ１２との間に設けられる光結合器２０は、複数の入力ポート２０IN(1)，２０IN(2)，２０IN(3)，・・と１つの出力ポート２０OUTとを有している。第１の入力ポート２０IN(1)には、光アイソレータ１８を介してシードＬＤ２６が接続される。第２および第３以降の入力ポート２０N(2)，２０IN(3)，・・には、アクティブファイバ１２のコアを励起するための励起用ＬＤ（以下「ポンプＬＤ」と称する。）３０が接続される。出力ポート２０OUTには、アクティブファイバ１２の入力端が接続される。

シード光発生部１０、光アイソレータ１８および光結合器２０によって、アクティブファイバ１２に対するシード光注入部が構成されている。ポンプＬＤ３０および光結合器２０によって、アクティブファイバ１２に対する励起光注入部が構成されている。

なお、光アイソレータ１８は、シードＬＤ２６より出力される微弱なパワー（通常数Ｗ以下）のシード光およびその反射戻り光をそれぞれ順方向および逆方向の入射光とするので、小型・安価なもので済ますことができる。

アクティブファイバ１２は、少なくともＹｂイオンを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長（ファイバ長）がたとえば３〜１５ｍに選ばれている。アクティブファイバ１２の利得は、ポンプＬＤ３０の総合出力によりたとえば１０〜４０ｄＢの範囲で調節可能となっている。

アクティブファイバ１２と波長変換ファイバ１４との間に設けられる第１の光フィルタ２２は、たとえば波長選択性のある誘電体多層膜をガラス基板上に成膜してなる透過型または反射型ミラーからなり、シード光の波長のみを、つまりスペクトル中心波長（１０６０ｎｍ）およびその近辺の狭い帯域（たとえば１０５５〜１０６５ｎｍ）の波長のみを選択的に透過するバンドパスフィルタとして構成されている。

アクティブファイバ１２より出力される光ビームは、後述するようにアクティブファイバ１２内の誘導放出によりシード光を増幅して得られるものであり、シード光と同じ波長を有している。したがって、アクティブファイバ１２の出力端から光フィルタ２２に入射する光ビームは、そのまま光フィルタ２２を通過し、高パワーのポンプ光として波長変換ファイバ１４の入力端に入射するようになっている。

波長変換ファイバ１４は、高パワーのポンプ光から誘導ラマン散乱光を生成するための非線形媒質であり、光学的に非線形なコアを有し、かつ高パワー耐性に優れているのが望ましく、通常の光伝送に用いられる安価な石英系ファイバ、特に添加物を含まない純石英系ファイバを好適に用いる。

本発明においては、後述するように誘導ラマン散乱光（ＳＲＳ光）のスペクトル幅を適度な範囲に調節する上では、波長変換ファイバ１４のコア径φを２０〜４０μｍ、ファイバ全長を２〜１０ｍに選定するのが好ましい。

波長変換ファイバ１４と光ビーム照射部１６との間に設けられる第２の光フィルタ２４は、第１の光フィルタ２２と同様の構成を有する透過型または反射型のミラーからなり、波長変換ファイバ１４の出力端より出力される光ビームの中からＳＲＳ光の波長帯域の全部または一部（たとえば後述するように、シード光の波長が１０６０μｍのときは１０８０〜１３００ｎｍ）のみを選択的に透過するバンドパスフィルタとして構成されている。両光フィルタ２２，２４および波長変換ファイバ１４の作用については後に詳しく説明する。

光ビーム照射部１６は、第２の光ファイバ２４により抽出されるパルス波形のＳＲＳ光つまり加工用光ビームＬＢをたとえばコリメータ３２、ベントミラー３４等の光伝送系を介して受け取り、受け取った加工用光ビームＬＢをステージ３６上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射するようになっている。たとえば、マーキング加工を行う場合、光ビーム照射部１６にはガルバノスキャナが搭載される。

制御部３８は、キーボードあるいはマウス等の入力装置４０およびディスプレイ（図示せず）等と接続するマイクロコンピュータからなり、メモリに格納された制御プログラムに基づいて上述した装置内の各部および装置全体の制御を行う。

次に、図２および図３を参照して、このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の作用を説明する。図２は装置内の各部における光ビームのパワーのパルス波形を示し、図３は装置内の各部における光ビームの波長スペクトルを示す。

このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、マーキング加工を行う場合、シード光発生部１０は、スペクトル中心波長が１０６０ｎｍのパルス波形のシード光（ＬＤ光）を所望のパルス幅（たとえば０．１〜２００ｎｓ）、所望のピークパワーＰ_A（たとえば１００〜２０００ｍＷ）および所望の繰り返し周波数（たとえば２０〜５００ｋＨｚ）で出力する。図２の(A)および図３の(A)に、シード光のパルス波形および波長スペクトルを示す。なお、繰り返し周波数は、たとえば１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲で設定することができる。シード光発生部１０より出力されたパルス波形のシード光は、アイソレータ１８および光結合器２０を介してアクティブファイバ１２のコアに注入される。

一方、ポンプＬＤ３０は、スペクトル中心波長が所定値たとえば９１５ｎｍ（または９４０ｎｍもしくは９７５ｎｍ）である連続波（ｃｗ）の励起光を出力する。ポンプＬＤ３６より出力される連続波の励起光は光結合器２４を介してアクティブファイバ１２のコアに注入される。

アクティブファイバ１２の中で、シード光は、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ出力端側に向って伝搬する。一方、励起光は、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながらアクティブファイバ１２の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中のＹｂイオンを光励起する。

こうして、シード光と励起光とがアクティブファイバ１２を伝搬する間に、そのＹｂ添加コアにおいて励起光スペクトルの吸収とシード光スペクトルの誘導放出とが繰り返し行われ、アクティブファイバ１２の出力端より非常に高いピークパワーＰ_B（好ましくは１０ｋＷ以上、より好ましくは２０ｋＷ以上）を有するまでに増幅されたパルス波形のシード光つまり増幅パルスの光ビームが出される。この増幅パルスの光ビームのスペクトル中心波長は、シード光のスペクトル中心波長と同じ（１０６０ｎｍ）である。図２の(B)および図３の(B)に、アクティブファイバ１２の出力端に得られる増幅パルスの光ビームのパルス波形および波長スペクトルを示す。

アクティブファイバ１２の出力端から出た増幅パルスの光ビームは、第１の光フィルタ２２を殆ど減衰せずに透過し、ポンプ光として波長変換ファイバ１４の入力端に注入される。なお、アクティブファイバ１２の中で非線形効果に基づく高調波または散乱光が発生しても、第１の光フィルタ２２によって遮断されるので、後段の波長変換ファイバ１４に入射することはない。

こうして、非線形媒質である波長変換ファイバ１４にラマン閾値を超えるパワーのポンプ光が入射すると、波長変換ファイバ１４の中で石英の分子振動や格子振動に基づく誘導ラマン散乱によりポンプ光の波長（つまりシードの波長）よりも幾らか長い波長の光、いわゆるストークス光が発生する。しかも、この実施形態では、ポンプ光のピークパワーＰ_Bがラマン閾値を優に超えるため、ポンプ光からやや長い波長にシフトした１次ストークス光が発生するだけでなく、１次ストークス光からやや長い波長にシフトした２次ストークス光、さらには２次ストークス光からやや長い波長にシフトした３次ストークス光、・・・というように、ラマン閾値を超えなくなるまで高次のストークス光が次々と派生的に発生し、それら１次および高次のストークス光を含む誘導ラマン散乱光（ＳＲＳ光）とポンプ光を波長成分とするパルス波形の光ビームが波長変換ファイバ１４の出力端より出力される。

図２の(C)および図３の(C)に、波長変換ファイバ１４の出力端より得られる光ビームのパルス波形および波長スペクトルを示す。図３の(C)に示すように、波長スペクトル的にはポンプ光の波長にＳＲＳ光の波長が追加される。しかし、パワー的にはポンプ光のパワーがＳＲＳ光のパワーにシフトするだけなので、図２の(C)に示すように光ビーム全体のパワーは殆ど変わらない。

図４Ａ〜図４Ｆに、波長変換ファイバ１４の入力端に注入されるポンプ光のピークパワーＰ_Bと波長変換ファイバ１４の出力端に得られるＳＲＳ光の波長スペクトルとの相間関係（実験結果）を示す。

図示のように、ポンプ光のピークパワーＰ_Bを高くするほど、ＳＲＳ光のスペクトル幅（面積）が広がる、つまりポンプ光からＳＲＳ光への光エネルギーのシフトが増大することがわかる。しかし、ＳＲＳ光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、次のような問題が生じる。
(i) ＳＲＳ光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、第２の光ファルタ２４の透過帯域外の波長成分が増大する。すなわち、第２の光フィルタ２４を通らない光（レーザ加工に利用できない光）が増えて、レーザエネルギーの利用効率が低下する。
(ii) ＳＲＳ光のスペクトル幅が拡がる過程で変換ロスが増えて波長変換効率が低下する。
(iii) ＳＲＳ光のスペクトル幅が拡がり過ぎると、色収差が生じて光ビームを集光できなくなる。
(iv) 第２の光フィルタ２４の透過帯域を拡げると、そのぶんコストが高くなる。

上記(i)〜(iv)の観点から、この実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、シード光としてスペクトル中心波長１０６０ｎｍのＬＤ光を用いる場合は、ＳＲＳ光のスペクトル幅を１０８０〜１３００ｎｍに調整するのが最も好ましいことが種種の実験で確認された。かかる知見に基づいて、この実施形態では、第２の光フィルタ２４に、透過帯域１０８０〜１３００ｎｍのバンドパスフィルタを用いる。そして、第２の光フィルタ２４に入射するＳＲＳ光の波長スペクトル特性がこの特定帯域（１０８０〜１３００ｎｍ）に適合（フィット）するように、波長変換ファイバ１４のコア径および全長ならびにポンプ光のピークパワーＰ_Bを選定する。

図４Ａ〜図４Ｆの実験では、波長変換ファイバ１４にコア径φ２０μｍおよび全長５ｍの石英ファイバを用いた。この場合、ポンプ光のピークパワーＰ_Bを２２〜２６ｋＷに選定したときに、上記特定帯域（１０８０〜１３００ｎｍ）に適合するようなＳＲＳ光の波長スペクトル特性（図４Ｄ、図４Ｅ、図４Ｆ）が得られた。

こうして、ポンプ光の波長成分とＳＲＳ光の波長成分を含む光ビームが、変換ファイバ１４の出力端から第２の光フィルタ２４に入射する。第２の光フィルタ２４は、ＳＲＳ光の波長成分（好ましくは１０８０〜１３００ｎｍ）だけを選択的または限定的に透過し、ポンプ光の波長成分を遮断する。

第２の光フィルタ２４により抽出されたＳＲＳ光の波長成分からなる光ビームは、加工用の光ビームＬＢとして、コリメータ３２、ベントミラー３４を介して光ビーム照射部１６へ送られる。

光ビーム照射部１６は、マーキング加工用のガルバノスキャナおよびｆθレンズを備えている。ガルバノスキャナは、直交する２方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部３８の制御の下でシード光発生部１０のパルス発振動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、加工用光ビームＬＢをステージ３６上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Ｗの表面に施されるマーキング加工は、典型的には文字や図形等を描画するものであるが、トリミング等の表面除去加工等も可能である。

このようなレーザ加工の最中に、被加工物Ｗで反射した光の一部が反射戻り光として光ビーム照射部１６、ベントミラー３４およびコリメータ３２を逆方向に伝搬して第２の光フィルタ２４まで来ることがある。この反射戻り光は、加工用光ビームＬＢと波長が同じであるから、第２の光フィルタ２４を逆方向に透過し、さらには波長変換ファイバ１４も逆方向に透過する。しかし、反射戻り光は、波長変換ファイバ１４を出た後に第１の光フィルタ２２によって阻止される。この場合、反射戻り光は、途中で一切増幅されることなく第１の光フィルタ２２に達する。したがって、反射戻り光によって途中の光学部品（光ビーム照射部１６，ベントミラー３４，コリメータ３２、第２の光フィルタ２４および波長変換ファイバ１４）が損傷を受けることはない。一方、第１の光フィルタ２２は、反射戻り光を漏らさず十全に遮断することができる。

このように、このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、アクティブファイバ１２の後段に高価な高出力用の光アイソレータを設けなくても、低コストの光フィルタ２２，２４および波長変換ファイバ１４を用いて反射戻り光から装置内の全ての光源（２６，３０）およびその他の光学部品を安全確実に保護することができる。

特に、光フィルタ２２，２４は設計および製作が簡単であるうえ汎用品であってもパワー耐性が相当大きいので、ファイバレーザの高出力化を容易に推進することができる。

本発明によれば、上記のように、高価な高出力用の光アイソレータを用いなくても、被加工物Ｗからの反射戻り光に対して装置内の全ての光源および光学部品を安全確実に保護できるので、加工用光ビームＬＢの出力を可及的に高くすることが可能であり、高品質、高性能のレーザ加工を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、図５に示すように、複数（たとえば２つ）のアクティブファイバ１２，４２をカスケード接続する構成を好適に採ることができる。

この場合、第１のアクティブファイバ１２と第２のアクティブファイバ４２との間に設けられる光結合器４４は、複数の入力ポート４４IN(1)，４４IN(2)，４４IN(3)，・・と１つの出力ポート４４OUTとを有している。第１の入力ポート４４IN(1)には、第１のアクティブファイバ１２の出力端が光アイソレータ２１を介して接続される。第２および第３以降の入力ポート４４N(2)，２０IN(3)，・・には、アクティブファイバ４２のコアを励起するための励起用ＬＤ４６が接続される。出力ポート４４OUTには、第２のアクティブファイバ４２の入力端が接続される。

このような多段アンプの全利得は、第１のアクティブファイバ１２（第１段アンプ）の利得と第２のアクティブファイバ４２（第２段アンプ）の利得とを足し合わせたものになる。したがって、シードＬＤ２６の出力をたとえば３００ｍＷ以下に低くしてもシード光を段階的に無理なく所要の高出力の光ビームに増幅変換することができる。そして、この場合も、第２のアクティブファイバ４２の後段に設けられる第１の光フィルタ２２、波長変換ファイバ１４および第２の光フィルタ２４により反射戻り光を確実に遮断して、第１段および第２段アンプの光源および光学部品を安全に保護することができる。

なお、第１段アンプ１２と第２段アンプ４２との間に設けられる光アイソレータ２１は、比較的低い（通常１ｋＷ以下の）ピークパワーを有する第１段増幅パルスの光ビームおよびその反射戻り光をそれぞれ順方向および逆方向の入射光とするので、小型・安価なもので済ますことかできる。

上記のように、本発明者が幾多の実験を重ねて鋭意検討した結果、上記実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、上記のようにシード光の波長を１０６０ｎｍ近辺に選定するとともに、第２の光フィルタ２４によって抽出するＳＲＳ光の波長を１０８０〜１３００ｎｍに選定し、かつ波長変換ファイバ１４より出力されるＳＲＳ光の波長スペクトル特性を上記帯域（１０８０〜１３００ｎｍ）に適合させることが、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工における反射戻り光の対策とレーザの高出力化とを最も効率的よく確実に両立させられる数値条件であることがわかった。しかし、他の数値範囲を選定することも可能である。

また、波長変換用ファイバ１４は、上記のように安価な一般の光伝送用の石英系ファイバを好適に使用できるが、誘導ラマン散乱に適した非線形性とパワー耐性を備えたものであれば非石英系ファイバであっても使用可能である。

本発明のファイバレーザ加工装置は、マーキング加工に限るものではなく、穴あけ、切断、溶接等の他のレーザ加工にも使用可能である。

１０ シード光発生部
１２，４２ アクティブファイバ（増幅用光ファイバ）
１４ 波長変換ファィバ（波長変換用光ファイバ）
１６ 光ビーム照射部
２０，４４ 光結合器
２２ 第１の光フィルタ
２４ 第１の光フィルタ
２６ シードＬＤ
３０，４６ ポンプＬＤ

Claims (16)

1. シード光を発生するシード光発生部と、
   希土類元素を添加したコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、
   前記シード光発生部および前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、
   光学的に非線形なコアを有し、前記増幅用光ファイバより出力される前記シード光と同一波長の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、
   前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、
   前記増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第１の光フィルタと、
   前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第２の光フィルタと
   を有するＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
2. シード光を発生するシード光発生部と、
   希土類元素を添加した第１のコアを有し、前記シード光発生部からの前記シード光を入力端より前記第１のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅する第１の増幅用光ファイバと、
   前記第１の増幅用光ファイバの第１のコアを励起するための第１の励起光を発生する第１の励起光源と、
   前記シード光発生部および前記第１の励起光源を前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、
   希土類元素を添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端より出力される第１段増幅の光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅の光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅する第２の増幅用光ファイバと、
   前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起光源と、
   前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起光源を前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、
   光学的に非線形なコアを有し、前記第２の増幅用光ファイバより出力される第２段増幅の光ビームをポンプ光として入力端より前記コアの中に入れ、前記ポンプ光を出力端に向けて伝搬させながら誘導ラマン散乱光を生成する波長変換用光ファイバと、
   前記波長変換用光ファイバより出力される前記誘導ラマン散乱光を加工用レーザ光として被加工物に集光照射する光ビーム照射部と、
   前記第２の増幅用光ファイバと前記波長変換用光ファイバとの間に設けられ、前記シード光の波長のみを透過する第１の光フィルタと、
   前記波長変換用光ファイバと前記光ビーム照射部との間に設けられ、前記誘導ラマン散乱光の波長のみを透過する第２の光フィルタと
   を有するＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
3. 前記シード光発生部が、シード用のレーザダイオードを有し、前記シード用レーザダイオードを駆動してスペクトルの中心波長が１０６０ｎｍ付近にあるシード光を発生する、請求項１または請求項２に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
4. 前記第２の光フィルタの透過帯域は１０８０〜１３００ｎｍである、請求項３に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
5. 前記ポンプ光のパワーは１０ｋＷ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
6. 前記ポンプ光のパワーは２０ｋＷ以上である、請求項５に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
7. 前記波長変換用光ファイバは、石英系ファイバである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
8. 前記波長変換用光ファイバは、添加物を含まない純石英系ファイバである、請求項７に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
9. 前記波長変換用光ファイバのコア径はφ２０〜４０μｍである、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
10. 前記波長変換用光ファイバの全長は２〜１０ｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
11. レーザダイオードを用いてスペクトルの中心波長が１０６０ｎｍ付近にあるシード光を生成する工程と、
    前記シード光を励起光と一緒に増幅用光ファイバのコアの中を伝搬させながら誘導放出により増幅する工程と、
    前記増幅用光ファイバより出力された光の中から、第１の光フィルタを用いて前記第１のシード光と同じ波長を有する光ビームをポンプ光として抽出する工程と、
    前記ポンプ光を光学的に非線形なコアを有する波長変換用光ファイバに導入して、前記波長変換用光ファイバ内で誘導ラマン散乱光を生成する工程と、
    前記波長変換用光ファイバより出力された光の中から、第２の光フィルタを用いて前記誘導ラマン散乱光の１０８０〜１３００ｎｍの波長成分を加工用レーザ光として抽出する工程と、
    所与の被加工物に前記加工用レーザ光を集光照射して所望のレーザ加工を施す工程と
    を有するレーザ加工方法。
12. 前記波長変換用光ファイバより出力される誘導ラマン散乱光のスペクトル特性が１０８０〜１３００ｎｍの帯域に適合するように、前記波長変換用光ファイバのコア径および全長ならびに前記ポンプ光の出力を選定する、請求項１１に記載のレーザ加工方法。
13. 前記波長変換用光ファイバのコア径はφ２０〜４０μｍである、請求項１２に記載のレーザ加工方法。
14. 前記波長変換用光ファイバの全長は２〜１０ｍである、請求項１２または請求項１３に記載のレーザ加工方法。
15. 前記ポンプ光のパワーは１０ｋＷ以上である、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
16. 前記ポンプ光のパワーは２０ｋＷ以上である、請求項１５に記載のレーザ加工方法。