JP2014049641A - Laser light source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光源に関する。 The present invention relates to a laser light source.
レーザ加工等に用いられるレーザ光源において、ビーム伝搬を制御する方法としてレンズ間距離が可変である複数枚のレンズを組み合わせたビームエクスパンダが知られている。また、電気光学効果による屈折率変調を用いる方法が知られている。 In a laser light source used for laser processing or the like, a beam expander in which a plurality of lenses having a variable inter-lens distance is combined is known as a method for controlling beam propagation. A method using refractive index modulation by an electro-optic effect is known.
また、ビーム伝搬を制御する他の方法として、平均出力が１００Ｗクラスのレーザにおいて、ＴＧＧ結晶を用いたアイソレータ（Isolator：ＩＳＯ）において熱レンズ効果によりＴＧＧ端面出射後のビーム伝搬が変化することが知られている。このため、ビーム伝搬の変化を補償することを目的として、これに対してＤＫＤＰ結晶を光路上に設ける等の検討がなされている（例えば、非特許文献１参照）。 As another method for controlling beam propagation, it is known that in a laser with an average output of 100 W, the beam propagation after exiting the TGG end face changes due to the thermal lens effect in an isolator using a TGG crystal (Isolator: ISO). It has been. For this reason, in order to compensate for changes in beam propagation, studies have been made on providing a DKDP crystal on the optical path (for example, see Non-Patent Document 1).
しかしながら、レーザ光源から出射するレーザ光のビーム伝搬を制御することを目的として、従来から知られているビームエクスパンダを用いるためには、機械的又は電気的な制御機構が必要となり、電気光学効果によるＬｉＮｂＯ３結晶等を用いたビーム伝搬制御では、電気的な制御機構が必要となり、制御機構が大がかりになってしまう。また、ＩＳＯ等の熱レンズによるビーム伝搬の変化の大きさは、連続波を出射し出力が１００Ｗクラスのレーザ出力、あるいは、パルスレーザ光源のパルスエネルギーやピーク値の大小のみの検討に留まっているため、ビーム伝搬の変化量を制御する観点からはダイナミックレンジが小さい等の問題点があった。 However, in order to use a conventionally known beam expander for the purpose of controlling the beam propagation of the laser beam emitted from the laser light source, a mechanical or electrical control mechanism is required, and the electro-optic effect In the beam propagation control using LiNbO 3 crystal or the like, an electric control mechanism is required, and the control mechanism becomes large. Further, the magnitude of the change in beam propagation by a thermal lens such as ISO is limited to the examination of the output of a 100 W class laser beam with a continuous wave or the pulse energy and peak value of a pulse laser light source. For this reason, there is a problem that the dynamic range is small from the viewpoint of controlling the amount of change in beam propagation.
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、より簡便な構成でビーム伝搬の制御を行うことが可能なレーザ光源を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a laser light source capable of controlling beam propagation with a simpler configuration.
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ光源は、種光源と、種光源から出射するパルス光の波形を制御する波形制御手段と、波形制御手段により制御された波形を有して種光源から出射されたパルス光を増幅して増幅光として出射する光増幅手段と光増幅手段により増幅された増幅光を入射し、コリメートして出射するコリメータレンズと、熱光学定数が正である材料を含んで構成され、コリメータレンズによりコリメートされた増幅光を入射端面から出射し、出射端面から出射するアイソレータと、を備え、アイソレータによる熱レンズ効果により、出射端面から出射された増幅光のビーム伝搬を変更することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a laser light source according to the present invention comprises a seed light source, a waveform control means for controlling the waveform of pulsed light emitted from the seed light source, and a seed light source having a waveform controlled by the waveform control means. A light amplifying means that amplifies the pulsed light emitted from the light, emits the amplified light amplified by the light amplifying means, collimates the collimator lens that emits the collimated light, and a material having a positive thermo-optic constant. And an isolator that emits the amplified light collimated by the collimator lens from the incident end face and emits the light from the exit end face. It is characterized by changing.
上記のレーザ光源によれば、熱光学定数が正である材料を含んで構成されたアイソレータの熱レンズ効果によって、アイソレータの出射端面から出射された増幅光の波面が変更させられるため、機械的又は電気的な制御機構は必要とせず、より簡便な構成でビーム伝搬の変更を実現することができる。 According to the above laser light source, the wave front of the amplified light emitted from the exit end face of the isolator is changed by the thermal lens effect of the isolator configured to include a material having a positive thermo-optic constant. An electric control mechanism is not required, and the beam propagation can be changed with a simpler configuration.
ここで、アイソレータから出射された光を集光する集光光学系と、集光光学系から出射された光の光路上に設けられ、熱光学定数は正または負である材料を含んで構成されている光学部品と、をさらに備える態様とすることができる。 Here, a condensing optical system that condenses the light emitted from the isolator, and a material that is provided on the optical path of the light emitted from the condensing optical system and that has a positive or negative thermo-optic constant. And an optical component.
また、増幅光の平均出力が１０Ｗ以上であり、パルスピーク値が１０ｋＷ以上であり、パルス立ち上がり時間が３０ｐｓ〜１００ｐｓの範囲であり、波形制御手段によって、増幅光のパルス幅を数十ｐｓから数十ｎｓまでの範囲で変更することができる態様とすることができる。 The average output of the amplified light is 10 W or more, the pulse peak value is 10 kW or more, the pulse rise time is in the range of 30 ps to 100 ps, and the pulse width of the amplified light is reduced from several tens ps to several It can be set as the aspect which can be changed in the range up to 10 ns.
また、増幅光の平均出力が１５Ｗから２０Ｗの範囲内で一定であり、パルスピーク値が７０ｋＷ〜１００ｋＷの範囲であり、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲である態様とすることができる。 Moreover, the average output of the amplified light is constant within a range of 15 W to 20 W, the pulse peak value is within a range of 70 kW to 100 kW, and the repetition frequency is within a range of 100 kHz to 1 MHz.
また、アイソレータは、ＴＧＧ結晶又はＴＳＡＧ結晶が用いて構成されている態様とすることができる。 Further, the isolator may be configured using a TGG crystal or a TSAG crystal.
集光光学系の光学部品は、ＴＧＧ結晶又はＴＳＡＧ結晶を含んで構成されている態様としてもよい。また、光学部品は、ＤＫＤＰ結晶を含んで構成されている態様としてもよい。 The optical component of the condensing optical system may be configured to include a TGG crystal or a TSAG crystal. Further, the optical component may be configured to include a DKDP crystal.
本発明によれば、より簡便な構成でビーム伝搬の制御を行うことが可能なレーザ光源が提供される。 According to the present invention, a laser light source capable of controlling beam propagation with a simpler configuration is provided.
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は同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図１は、本実施形態に係るレーザ光源の構成を説明する概略構成図である。図１に示すように、レーザ光源１は、種光源１０、パルスジェネレータ１５（波形制御手段）、アイソレータ２０、光ファイバ増幅部３０、出力コネクタ５０、デリバリーファイバ５３及びＩＳＯ６０を備えるＭＯＰＡ（Master oscillator power amplifier）構造を有する光源である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of a laser light source according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the laser light source 1 includes a seed light source 10, a pulse generator 15 (waveform control means), an isolator 20, an optical fiber amplifying unit 30, an output connector 50, a delivery fiber 53, and an ISO 60. amplifier) structure.
このレーザ光源１では、パルスジェネレータ１５により種光源１０が制御され、パルス光が光源１０から出射される。種光源１０から出射されるパルス光の繰り返し周波数は、パルスジェネレータ１５の性能に依存するが、数十ｋＨｚから１ＭＨｚ程度の広い範囲で設定することができる。また、パルス波形は、パルスジェネレータ１５及び種光源１０の性能に依存し、パルス光の発振条件によっては、複数のピークを有したパルス波形を生成することが可能である。 In the laser light source 1, the seed light source 10 is controlled by a pulse generator 15, and pulsed light is emitted from the light source 10. The repetition frequency of the pulsed light emitted from the seed light source 10 depends on the performance of the pulse generator 15, but can be set in a wide range of about several tens of kHz to 1 MHz. The pulse waveform depends on the performance of the pulse generator 15 and the seed light source 10, and a pulse waveform having a plurality of peaks can be generated depending on the oscillation condition of the pulsed light.
光源１０から出射されたパルス光は、アイソレータ２０を経て光ファイバ増幅部３０において増幅される。図１に示すレーザ光源１においては、光ファイバ増幅部３０として、励起用ＬＤ３１，３５、光コンバイナ３３，３７、ＹｂＤＦ（Ｙｂ添加光ファイバ）４１，４２、アイソレータ４３が含まれる。アイソレータ２０を経て光ファイバ増幅部３０に入射した光は、励起用ＬＤ３１により励起光が供給されることで種光源１０からの光がＹｂＤＦ４１において光増幅される。さらに、ＹｂＤＦ４１において増幅された光は、アイソレータ４３を経た後に、複数の励起用ＬＤ３５により励起光が供給されることでＹｂＤＦ４２においてさらに光増幅される。このように、種光源１０からのパルス光は、光ファイバ増幅部３０において増幅されて増幅光として出射される。なお、ＹｂＤＦ４１とアイソレータ４３との間に設けられている領域４５には、必要に応じてＹｂＤＦ増幅段を増加させることや、特定の波長の光のみを通過させるためのフィルタを設けることもできる。 The pulsed light emitted from the light source 10 is amplified in the optical fiber amplifier 30 through the isolator 20. In the laser light source 1 shown in FIG. 1, the optical fiber amplifier 30 includes pumping LDs 31 and 35, optical combiners 33 and 37, YbDF (Yb-doped optical fibers) 41 and 42, and an isolator 43. The light that has entered the optical fiber amplifying unit 30 via the isolator 20 is amplified by the YbDF 41 by being supplied with excitation light by the excitation LD 31. Further, the light amplified in the YbDF 41 is further amplified in the YbDF 42 by passing through the isolator 43 and then supplied with the excitation light by the plurality of excitation LDs 35. Thus, the pulsed light from the seed light source 10 is amplified by the optical fiber amplifier 30 and emitted as amplified light. In the region 45 provided between the YbDF 41 and the isolator 43, a YbDF amplification stage can be increased as necessary, or a filter for allowing only light of a specific wavelength to pass therethrough can be provided.
光ファイバ増幅部３０の後段には、エンドキャップとして機能する出力コネクタ５０が設けられる。そして出力コネクタ５０の後段にはデリバリーファイバ５３を経てコリメータレンズ５５及びＩＳＯ６０が光路に沿ってこの順に設けられる。出力コネクタ５０から出射された光はデリバリーファイバ５３内を伝播した後に、コリメータレンズ５５によりコリメートされた後に入射端面６０ｂからＩＳＯ６０に入射する。そして、ＩＳＯ６０の出射端面６０ａから外部に出力される。ＩＳＯ６０には、ＴＧＧ（Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）結晶、ＴＳＡＧ（Ｔｂ３（ＳｃＡｌ）５Ｏ１２）結晶等が用いられる。なお、ＴＧＧ及びＴＳＡＧは、いずれも熱光学定数ｄｎ／ｄＴがプラスの符号を有し、これらの温度が上昇すると屈折率が高くなる。このような特徴を有するＩＳＯ６０では、ガウシアン分布を有するレーザ光を入射することにより、中心部分の屈折率が上昇し、グリンレンズ（ＧＲＩＮ ｌｅｎｓ＝Gradient Index lens）と同様な働きをする。 An output connector 50 that functions as an end cap is provided downstream of the optical fiber amplifier 30. A collimator lens 55 and ISO 60 are provided in this order along the optical path via the delivery fiber 53 at the subsequent stage of the output connector 50. The light emitted from the output connector 50 propagates through the delivery fiber 53, is collimated by the collimator lens 55, and then enters the ISO 60 from the incident end face 60 b. And it outputs to the exterior from the output end surface 60a of ISO60. For ISO 60, a TGG (Tb 3 Ga 5 O 12 ) crystal, a TSAG (Tb 3 (ScAl) 5 O 12 ) crystal, or the like is used. Note that both TGG and TSAG have positive signs of thermo-optic constants dn / dT, and the refractive index increases as these temperatures rise. In ISO 60 having such characteristics, the refractive index of the central portion is increased by the incidence of laser light having a Gaussian distribution, and the same function as that of a GRIN lens (GRIN lens = Gradient Index lens) is achieved.
次に、上記のレーザ光源１のビームプロファイルを測定するための測定光学系について図２を用いて示す。図２の測定光学系１００には、光源部１Ａ、減衰光学系８０及びビームプロファイラ９０が含まれる。 Next, a measurement optical system for measuring the beam profile of the laser light source 1 will be described with reference to FIG. The measurement optical system 100 in FIG. 2 includes a light source unit 1A, an attenuation optical system 80, and a beam profiler 90.
光源部１Ａには、種光源１０、パルスジェネレータ１５、アイソレータ２０、光ファイバ増幅部３０及び出力コネクタ５０が含まれる。出力コネクタ５０から出力された光は、デリバリーファイバ５３を通った後にコリメータレンズ５５に入射する。そしてコリメータレンズ５５からの光はＩＳＯ６０から出射される。 The light source unit 1A includes a seed light source 10, a pulse generator 15, an isolator 20, an optical fiber amplifier 30, and an output connector 50. The light output from the output connector 50 enters the collimator lens 55 after passing through the delivery fiber 53. The light from the collimator lens 55 is emitted from the ISO 60.
ＩＳＯ６０から出射された光は、例えばフレネル反射を用いた減衰光学系８０により所定の光強度となるまで減衰される。そして、所定の光強度に減衰された光がビームプロファイラ９０に入射し、ビームプロファイラ９０により、ＩＳＯ６０の出射端面から１．５ｍ離れた地点でのビーム径を測定した。 The light emitted from the ISO 60 is attenuated to a predetermined light intensity by, for example, an attenuation optical system 80 using Fresnel reflection. The light attenuated to a predetermined light intensity was incident on the beam profiler 90, and the beam profiler 90 measured the beam diameter at a point 1.5 m away from the exit end face of the ISO 60.
なお、コリメータレンズ５５から出射された際の出力強度が数百ｍＷ程度とされているレーザ光は、ＩＳＯ６０の出射端面から５０ｃｍ先にビームウエストが存在する様に調整されている。この点については後述する。 Note that the laser light having an output intensity of about several hundred mW when emitted from the collimator lens 55 is adjusted so that a beam waist exists 50 cm away from the emission end face of ISO 60. This point will be described later.
ここで、上記の測定光学系１００を利用して、パルスジェネレータ１５により種光源１０から出射される光のパルス形状を制御し、光ファイバ増幅部３０においてパルス光を増幅させた後に、コリメータレンズ５５の後段でのパルス波形を測定した。その結果を図３に示す。パルス発振の条件は、図３（Ａ）〜（Ｃ）では、繰り返し周波数は、いずれも２００ｋＨｚで一定であり、波形におけるパルス出力のピーク値をおよそ８０ｋＷに設定し、パルスエネルギーをそれぞれおよそ１０μＪ、５０μＪ、１００μＪ、とした。このとき、パルス幅は、それぞれ７５ｐｓ、３８０ｐｓ、１１００ｐｓとなっている。 Here, the pulse shape of the light emitted from the seed light source 10 is controlled by the pulse generator 15 using the measurement optical system 100 described above, and after the pulsed light is amplified by the optical fiber amplifier 30, the collimator lens 55 is used. The pulse waveform at the latter stage was measured. The result is shown in FIG. 3A to 3C, the repetition frequency is constant at 200 kHz, the pulse output peak value in the waveform is set to about 80 kW, the pulse energy is about 10 μJ, respectively. 50 μJ and 100 μJ. At this time, the pulse widths are 75 ps, 380 ps, and 1100 ps, respectively.
その後、コリメータレンズ５５の後段のＩＳＯを経て出力された光のビーム径について測定光学系１００を用いて測定した。そして、図３（Ａ）に示すパルスエネルギー１０μＪの発振条件において、ＩＳＯ６０の出射端からの光路に沿った距離が１．５ｍとなる位置におけるビーム径を基準とした場合に、図３（Ｂ）、（Ｃ）の条件におけるビーム光のビーム径の拡大率（拡光倍率）を求めたところ、それぞれ１．１倍（図３（Ｂ）の条件）、１．８倍（図３（Ｃ）の条件）であった。 Thereafter, the beam diameter of the light output through the ISO after the collimator lens 55 was measured using the measurement optical system 100. Then, in the oscillation condition of the pulse energy of 10 μJ shown in FIG. 3A, when the beam diameter at the position where the distance along the optical path from the emission end of ISO 60 is 1.5 m is used as a reference, FIG. , (C), the magnification of the beam diameter of the light beam (magnification magnification) was found to be 1.1 times (condition of FIG. 3B) and 1.8 times (FIG. 3C). Conditions).
図３の結果によれば、ＩＳＯ６０に入射する光のパルスエネルギーを増大させるにつれて、ビーム拡光倍率が１．１倍、１．８倍と増大している。これは、パルスエネルギーを増大させることによりＩＳＯ６０の熱レンズ効果の影響が顕著となっていることを示す。 According to the result of FIG. 3, as the pulse energy of the light incident on the ISO 60 is increased, the beam expansion magnification is increased to 1.1 times and 1.8 times. This indicates that the influence of the thermal lens effect of ISO 60 becomes significant by increasing the pulse energy.
ＩＳＯ６０の熱レンズ効果がビーム径に与える影響について、図４を用いて説明する。図４では、デリバリーファイバ５３の出射側端面、コリメータレンズ５５、ＩＳＯ６０が光路上にこの順で配置されていて、これらの光学部品を通過しＩＳＯ６０の出射端面から出射されるビーム光の拡がりを示している。ここで、ＩＳＯ６０による熱レンズ効果が発生しないか又は熱レンズ効果が著しく小さい場合、ＩＳＯ６０の出射端面から出射される光は、図４のＬ１に示すようなビームの拡がりとなる。すなわち、コリメートレンズ５５によりコリメートされているものの、厳密には曲率半径を有した波面であり、例えば、出射端面６０ａからの距離が５０ｃｍのところでビームウエスト（平面波）が形成されるとする。この場合、例えば出射端面６０ａからの距離が１．５ｍのビーム径測定地点Ｐにおけるビーム径は、図４のＬ１１で示す大きさとなる。 The influence of the thermal lens effect of ISO 60 on the beam diameter will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the emission side end surface of the delivery fiber 53, the collimator lens 55, and the ISO 60 are arranged in this order on the optical path, and the spread of the beam light that passes through these optical components and is emitted from the emission end surface of the ISO 60 is shown. ing. Here, when the thermal lens effect due to ISO 60 does not occur or the thermal lens effect is remarkably small, the light emitted from the emission end face of ISO 60 has a beam spread as indicated by L1 in FIG. That is, although it is collimated by the collimating lens 55, strictly speaking, it is a wavefront having a radius of curvature. For example, it is assumed that a beam waist (plane wave) is formed at a distance of 50 cm from the emission end face 60a. In this case, for example, the beam diameter at the beam diameter measurement point P whose distance from the emission end face 60a is 1.5 m is the size indicated by L11 in FIG.
これに対してＩＳＯ６０の熱光学定数ｄｎ／ｄＴが正の値を示し、ＩＳＯ６０による熱レンズ効果の影響を受ける場合、図４のＬ２で示すビームの拡がりを示す。すなわち、熱レンズ効果により、出射端面６０ａから出射した光は従来のビームウエストＷ１よりも手前においてビームウエストＷ１よりもその径（ウエストサイズ）が小さなビームウエストＷ２を形成する。そして、ビーム径測定地点Ｐにおいては、熱レンズ効果がない場合のビーム径Ｌ１１と比較してビーム径Ｌ２１は拡大される。このように、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果によりビーム伝搬が変化し、ビーム径が変動する。 On the other hand, when the thermo-optic constant dn / dT of ISO 60 shows a positive value and is affected by the thermal lens effect caused by ISO 60, the beam spread indicated by L2 in FIG. That is, due to the thermal lens effect, the light emitted from the emission end face 60a forms a beam waist W2 having a smaller diameter (waist size) than the beam waist W1 before the conventional beam waist W1. At the beam diameter measurement point P, the beam diameter L21 is enlarged as compared with the beam diameter L11 when there is no thermal lens effect. Thus, the beam propagation changes due to the thermal lens effect of ISO 60, and the beam diameter changes.
この結果ビーム径測定地点Ｐにおけるビームプロファイルがどのように変化するかを図５に示す。図５（Ａ），（Ｂ）は、いずれも繰り返し周波数が１００ｋＨｚであり、光出力が１６Ｗ、パルスエネルギーが６８μＪ、種光源基板の温度１２℃の条件で、ＩＳＯ６０による熱レンズ効果がない場合（Ａ）とある場合（Ｂ）とについてビームプロファイルを測定したものである。図５（Ａ）に示すビームプロファイルのビーム径を基準とした場合、図５（Ｂ）に示すビームプロファイルのビーム径は図５（Ａ）の１．５倍となっている。このように、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果を利用して、ビーム径を変更することが可能である。 FIG. 5 shows how the beam profile at the beam diameter measurement point P changes as a result. 5 (A) and 5 (B), when the repetition frequency is 100 kHz, the light output is 16 W, the pulse energy is 68 μJ, and the temperature of the seed light source substrate is 12 ° C., there is no thermal lens effect by ISO 60 ( The beam profile was measured for A) and some cases (B). When the beam diameter of the beam profile shown in FIG. 5 (A) is used as a reference, the beam diameter of the beam profile shown in FIG. 5 (B) is 1.5 times that of FIG. 5 (A). In this way, it is possible to change the beam diameter using the thermal lens effect of ISO60.
次に、光出力を一定とした状況で、パルスエネルギーと繰り返し周波数とを変更することでパルス波形を変更して、ビーム径拡大の効果について検証を行った。図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にその結果を示す。図６（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれにおいて、光出力は２０Ｗと一定となっている。そして、図６（Ａ）では繰り返し周波数が５００ｋＨｚ、パルエネルギーが４０μＪ、パルス幅が８０ｐｓであった。また、図６（Ｂ）では繰り返し周波数が３００ｋＨｚ、パルエネルギーが７０μＪ、パルス幅が７４０ｐｓであった。また、図６（Ｃ）では繰り返し周波数が２００ｋＨｚ、パルエネルギーが１００μＪ、パルス幅が１１００ｐｓであった。これらの条件でパルス光を出射した場合、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果の有無によるビーム径の変化を比較すると、図６（Ａ）における出射光条件ではビーム径は変化しなかったが、図６（Ｂ）の条件ではＩＳＯ６０の熱レンズ効果によりビーム径は１．３倍に拡大し、図６（Ｃ）の条件ではＩＳＯ６０の熱レンズ効果によりビーム径は１．９倍に拡大した。 Next, in a situation where the light output was constant, the pulse waveform was changed by changing the pulse energy and the repetition frequency, and the effect of expanding the beam diameter was verified. The results are shown in FIGS. 6 (A), (B), and (C). In each of FIGS. 6A to 6C, the optical output is constant at 20 W. In FIG. 6A, the repetition frequency was 500 kHz, the pal energy was 40 μJ, and the pulse width was 80 ps. In FIG. 6B, the repetition frequency was 300 kHz, the pal energy was 70 μJ, and the pulse width was 740 ps. In FIG. 6C, the repetition frequency was 200 kHz, the pal energy was 100 μJ, and the pulse width was 1100 ps. When pulse light is emitted under these conditions, the beam diameter does not change under the emitted light condition in FIG. 6A when comparing changes in the beam diameter depending on the presence or absence of the thermal lens effect of ISO 60. ), The beam diameter was expanded 1.3 times by the thermal lens effect of ISO 60, and under the conditions of FIG. 6C, the beam diameter was expanded 1.9 times by the thermal lens effect of ISO 60.
このように、パルス光の光出力が一定であっても、パルス光の発振条件を変更することで、ＩＳＯ６０による熱レンズの効果の大小をコントロールすることが可能であることが確認できる。したがって、パルス光の発振条件を制御することで、レーザ光のビーム径を制御することが可能となる。 As described above, it can be confirmed that the effect of the thermal lens by ISO 60 can be controlled by changing the oscillation condition of the pulsed light even if the optical output of the pulsed light is constant. Therefore, the beam diameter of the laser light can be controlled by controlling the oscillation conditions of the pulsed light.
なお、平均光出力は１０Ｗ以上であり、増幅光のパルスピーク値が１０ｋＷ以上であり、パルス立ち上がり時間が３０ｐｓ〜１００ｐｓの範囲であり、パルスジェネレータ１５によって、増幅光のパルス幅を数十ｐｓから数十ｎｓまでの範囲で変更することができる態様である場合に、ビーム径の変更をより効果的に行うことができる。 The average light output is 10 W or more, the pulse peak value of the amplified light is 10 kW or more, the pulse rise time is in the range of 30 ps to 100 ps, and the pulse width of the amplified light is reduced from several tens ps by the pulse generator 15. When the mode can be changed within a range of several tens of ns, the beam diameter can be changed more effectively.
また、平均出力が１５Ｗから２０Ｗの範囲内で一定であり、増幅光のパルスピーク値が７０ｋＷ〜１００ｋＷの範囲であり、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲である場合においても、ビーム径の変更をより効果的に行うことができる。 Also, the beam diameter is changed even when the average output is constant within the range of 15 W to 20 W, the pulse peak value of the amplified light is within the range of 70 kW to 100 kW, and the repetition frequency is within the range of 100 kHz to 1 MHz. It can be done more effectively.
ここで、上記実施形態では、ＩＳＯ６０として熱光学定数ｄｎ／ｄＴが正であるＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶を用いる場合について説明をしたが、熱レンズが発生する結晶を多段に直列結合、結晶の光路に沿った長尺化、熱光学定数が大きな結晶の利用等によりビーム径拡大効果を増大することができる。 Here, in the above-described embodiment, the case where a TGG crystal or a TSAG crystal having a positive thermo-optic constant dn / dT is used as ISO 60 has been described. The effect of expanding the beam diameter can be increased by elongating the length and using a crystal having a large thermo-optic constant.
上記実施形態では、コリメータレンズ５５によりコリメートされた光について、パルス波形制御を含めたパルス発振条件によるビーム伝搬の拡がり角の制御について説明した。次に、集光光学系に熱レンズ効果を有する物質を光路上に設けた際の効果について述べる。 In the above-described embodiment, the control of the beam propagation divergence angle based on the pulse oscillation condition including the pulse waveform control has been described for the light collimated by the collimator lens 55. Next, the effect when a substance having a thermal lens effect is provided on the optical path in the condensing optical system will be described.
図７では、デリバリーファイバ５３、コリメートレンズ５５及びＩＳＯ６０の後段に集光レンズ７０を設けた集光光学系の光路上に熱レンズ効果を誘発する材料からなる部材６５，６６を設けた場合について説明する図である。図７（Ａ）では、熱光学定数ｄｎ／ｄＴが正である材料からなる部品６５を設けた例を示し、図７（Ｂ）では、熱光学定数ｄｎ／ｄＴが負である材料からなる部品６６を設けた例を示す。デリバリーファイバ５３のファイバ端より出射されたレーザ光はコリメータレンズ５５によりコリメートされた後に、ＩＳＯ６０を通過し、さらに集光レンズ７０により集光される。ここで、図７（Ａ）に示すように、光路上に熱レンズ効果を誘発するｄｎ／ｄＴが正である部品６５が設けられている場合、焦点位置はＦ０からＦ１に焦点距離が短くなるように移動する。また、図７（Ｂ）に示すように、光路上に光路上に熱レンズ効果を誘発するｄｎ／ｄＴが負である部品６６が設けられている場合、焦点位置はＦ０からＦ２に焦点距離が長くなるように移動する。さらに、上述のように、パルス波形を制御することで、熱レンズ効果の大きさは変動するため、パルス波形の制御を利用して光路上におけるビーム伝搬を制御し、焦点位置を変更することもできる。 FIG. 7 illustrates a case where members 65 and 66 made of a material that induces a thermal lens effect are provided on the optical path of a condensing optical system in which a condensing lens 70 is provided downstream of the delivery fiber 53, the collimating lens 55, and the ISO 60. It is a figure to do. FIG. 7A shows an example in which a component 65 made of a material having a positive thermo-optic constant dn / dT is shown, and FIG. 7B shows a component made of a material having a negative thermo-optic constant dn / dT. An example in which 66 is provided is shown. The laser light emitted from the fiber end of the delivery fiber 53 is collimated by the collimator lens 55, passes through the ISO 60, and is collected by the condenser lens 70. Here, as shown in FIG. 7A, when a component 65 having a positive dn / dT that induces the thermal lens effect is provided on the optical path, the focal position becomes shorter from F0 to F1. To move. Further, as shown in FIG. 7B, when a component 66 having a negative dn / dT that induces a thermal lens effect is provided on the optical path, the focal position has a focal length from F0 to F2. Move to get longer. Furthermore, as described above, since the magnitude of the thermal lens effect fluctuates by controlling the pulse waveform, it is possible to control the beam propagation on the optical path using the pulse waveform control and change the focal position. it can.
また、図８に、本実施形態に係るレーザ光源の変形例として、種光源を複数備えたレーザ光源２の構成の例を示す。図８に示すレーザ光源２においては、図１に示すレーザ光源１と比較して、種光源１０を並列にＮ個接続している点が相違する。複数の種光源１０はそれぞれパルスジェネレータ１５により制御される。そして、各種光源１０から出射された光は、光コンバイナ１３により結合されて後段に進む。このように、複数の種光源１０を備え、各種光源１０を個別にパルス波形制御することにより、より自由度の高いパルス波形を生成することが可能となり、ビーム伝搬の制御をより柔軟に行うことが可能となる。 FIG. 8 shows an example of the configuration of the laser light source 2 including a plurality of seed light sources as a modification of the laser light source according to the present embodiment. The laser light source 2 shown in FIG. 8 is different from the laser light source 1 shown in FIG. 1 in that N seed light sources 10 are connected in parallel. Each of the plurality of seed light sources 10 is controlled by a pulse generator 15. And the light radiate | emitted from the various light sources 10 is couple | bonded by the optical combiner 13, and advances to a back | latter stage. In this way, by providing a plurality of seed light sources 10 and individually controlling the pulse waveforms of the various light sources 10, it becomes possible to generate a pulse waveform with a higher degree of freedom, and to control the beam propagation more flexibly. Is possible.
（パルス動作条件とビーム拡大倍率との関係について）
パルス光を出射するパルスレーザとしての動作条件であるパルス幅及び繰返し周波数を変更した場合にビーム径の拡大倍率との関係性について、検討した結果を図９，１０に示す。
(Relationship between pulse operating conditions and beam magnification)
9 and 10 show the results of studies on the relationship between the beam diameter and the magnification when the pulse width and the repetition frequency, which are the operating conditions of a pulsed laser emitting pulsed light, are changed.
図１０では、繰り返し周波数を１００ｋＨｚ，２００ｋＨｚ，３００ｋＨｚ，５００ｋＨｚ及び１ＭＨｚの５種類設定し、パルス幅を変更するための条件として、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３の３種類設定した場合のパルス波形を各々図示すると共に各条件において、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果に由来するＩＳＯ６０端より１．５ｍ先のビーム径について、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果がない場合を基準としたビーム径拡大倍率を百分率として示した。なお、図９は、図１０のＰ１の設定条件において繰り返し周波数が１００ｋＨｚの場合の波形であり、パルスエネルギーは０．４μＪであり、パルス幅は０．６５ｎｓであり、ＩＳＯ６０の熱レンズ効果がない条件の基準（１００％）として用いたものである。 FIG. 10 illustrates pulse waveforms when five types of repetition frequencies of 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, 500 kHz, and 1 MHz are set, and three types of P1, P2, and P3 are set as conditions for changing the pulse width. In addition, under each condition, the beam diameter expansion magnification based on the case where there is no ISO 60 thermal lens effect is shown as a percentage with respect to the beam diameter 1.5 m ahead of the ISO 60 end derived from the ISO 60 thermal lens effect. FIG. 9 is a waveform when the repetition frequency is 100 kHz under the setting condition of P1 in FIG. 10, the pulse energy is 0.4 μJ, the pulse width is 0.65 ns, and there is no ISO 60 thermal lens effect. This was used as a condition standard (100%).
ここでは、パルス幅を変える手段として、種光源となる半導体レーザの温度を３種類設定した。具体的には、Ｐ１：３７℃、Ｐ２：２７℃、Ｐ３：１７℃としている。なお、種光源の温度を変更する方法の他に、変調電流のバイアスレベルや変調電流のパルス幅、立ち上がり／立下り時間等を変化させることで、パルス光のパルス幅及びパルス波形を変更させてもよい。
ＩＳＯ６０によるビーム径の拡大倍率は、一般的にハイパワー化するほどに顕著となるが、パルス光の場合は、「パルスピークの出力強度」「デユティ比（繰返し周波数×パルス幅（半値全幅））」の積が高いほどに顕著になると予想される。この観点で考えると、図１０では、以下の傾向を確認することができた。すなわち、以下の（１）〜（３）の傾向を確認することができた。
（１）パルス幅及びピークパワーが繰り返し周波数に依存して殆ど変化しないＰ１の場合は、繰り返し周波数が高いほどに単調にビーム拡大倍率は増大する。
（２）パルス幅及びパルスピークが繰り返し周波数１ＭＨｚになると低下するＰ２の場合は、繰返し周波数２００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの条件で、ビーム径の拡大倍率は最大となる。
（３）Ｐ３の場合は（２）の傾向がさらに顕著となり、繰返し周波数１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚで、ビーム拡大倍率は最大となる。
Here, as means for changing the pulse width, three types of temperatures of the semiconductor laser serving as the seed light source are set. Specifically, P1: 37 ° C, P2: 27 ° C, and P3: 17 ° C. In addition to changing the temperature of the seed light source, the pulse width and pulse waveform of the pulsed light can be changed by changing the bias level of the modulation current, the pulse width of the modulation current, the rise / fall time, etc. Also good.
In general, the magnification of the beam diameter by ISO 60 becomes more noticeable as the power becomes higher, but in the case of pulsed light, “pulse peak output intensity” “duty ratio (repetition frequency × pulse width (full width at half maximum))” The higher the product, the more prominent it is. Considering this point of view, the following tendency could be confirmed in FIG. That is, the following trends (1) to (3) could be confirmed.
(1) In the case of P1 in which the pulse width and the peak power hardly change depending on the repetition frequency, the beam expansion magnification monotonously increases as the repetition frequency increases.
(2) In the case of P2, which decreases when the pulse width and pulse peak reach a repetition frequency of 1 MHz, the magnification of the beam diameter is maximized under the condition of a repetition frequency of 200 kHz to 300 kHz.
(3) In the case of P3, the tendency of (2) becomes more remarkable, and the beam expansion magnification becomes maximum at a repetition frequency of 100 kHz to 200 kHz.
実際にレーザ加工をする場合には、加工性能等に対して最も重要なのはパルス幅である。例えば、ビーム径の拡大倍率を１３０％程度に保ちながら、パルス幅をＰ１，Ｐ２，Ｐ３と変化させたい場合には、繰返し周波数をそれぞれ１ＭＨｚ、３００ｋＨｚ、３００ｋＨｚと変化させればよい。 When laser processing is actually performed, the pulse width is the most important for processing performance and the like. For example, when it is desired to change the pulse width to P1, P2, and P3 while keeping the beam diameter enlargement magnification at about 130%, the repetition frequency may be changed to 1 MHz, 300 kHz, and 300 kHz, respectively.
一方で、用途によっては繰返し周波数が条件として重要となる場合がある。この場合は、図１のアイソレータの更に下流にパルスピッカーとしてＡＯ変調器を設けて繰返し周波数を３００ｋHzに合わせた上で上記実施形態に係るレーザ光源を使用してもよい。 On the other hand, depending on the application, the repetition frequency may be important as a condition. In this case, the laser light source according to the above embodiment may be used after an AO modulator is provided as a pulse picker further downstream of the isolator in FIG. 1 and the repetition frequency is adjusted to 300 kHz.
なお、図１０では、パルスパターンについては、３種類の条件（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を示していて、繰り返し周波数は５種類を用いて、ビーム径の拡大倍率の変動について検証をした。しかしながら、パルス幅を変更させる条件をさらに増やした場合、また、繰り返し周波数の設定数をさらに増やした場合には、同じビーム径の拡大率となる条件が増えるため、例えばビーム径の拡大倍率を１３０％とは異なる値にしてパルス幅を変動させる条件等を設定することができる。 In FIG. 10, three types of conditions (P1, P2, and P3) are shown for the pulse pattern, and five types of repetition frequencies are used to verify the variation in the magnification of the beam diameter. However, if the conditions for changing the pulse width are further increased, or if the number of repetition frequencies is further increased, the conditions for achieving the same beam diameter expansion rate increase. The condition for changing the pulse width can be set to a value different from%.
１，２…レーザ光源、１０…種光源、１５…パルスジェネレータ、２０，４３…アイソレータ、３０…光ファイバ増幅部、５０…出力コネクタ、６０…ＩＳＯ、８０…減衰光学系、９０…ビームプロファイラ、１００…測定光学系。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Laser light source, 10 ... Seed light source, 15 ... Pulse generator, 20, 43 ... Isolator, 30 ... Optical fiber amplifier, 50 ... Output connector, 60 ... ISO, 80 ... Attenuation optical system, 90 ... Beam profiler, 100: Measurement optical system.
Claims (7)
前記種光源から出射されたパルス光の波形を制御する波形制御手段と、
前記種光源から出射されたパルス光を増幅して増幅光として出射する光増幅手段と
前記光増幅手段により増幅された前記増幅光を入射し、コリメートして出射するコリメータレンズと、
熱光学定数が正である材料を含んで構成され、前記コリメータレンズによりコリメートされた前記増幅光を入射端面から出射し、出射端面から出射するアイソレータと、
を備え、
前記アイソレータによる熱レンズ効果により、前記出射端面から出射された増幅光のビーム伝搬を変更する
ことを特徴とするレーザ光源。 A seed light source,
Waveform control means for controlling the waveform of the pulsed light emitted from the seed light source;
A light amplifying means for amplifying the pulsed light emitted from the seed light source and emitting it as amplified light; a collimator lens for entering the collimated light after entering the amplified light amplified by the light amplifying means;
An isolator configured to include a material having a positive thermo-optic constant and emitting the amplified light collimated by the collimator lens from an incident end surface;
With
The laser light source characterized by changing the beam propagation of the amplified light emitted from the emission end face by the thermal lens effect by the isolator.
前記集光光学系から出射された光の光路上に設けられ、熱光学定数は正または負である材料を含んで構成されている光学部品と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。 A condensing optical system for condensing the light emitted from the isolator;
An optical component that is provided on the optical path of the light emitted from the condensing optical system and includes a material having a thermo-optic constant that is positive or negative; and
The laser light source according to claim 1, further comprising:
前記波形制御手段によって、前記増幅光のパルス幅を数十ｐｓから数十ｎｓまでの範囲で変更することができる
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源。 The average output of the amplified light is 10 W or more, the pulse peak value is 10 kW or more, the pulse rise time is in the range of 30 ps to 100 ps,
3. The laser light source according to claim 1, wherein the pulse width of the amplified light can be changed within a range from several tens of ps to several tens of ns by the waveform control unit.
3. The laser light source according to claim 2, wherein the optical component includes a DKDP crystal.
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