JP6268706B2

JP6268706B2 - レーザ発振器

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Publication number: JP6268706B2
Application number: JP2013004707A
Authority: JP
Inventors: 昌男吉岡; 拓哉戸川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-01-15

Description

本発明は、レーザ発振器に関し、特に、光ファイバを通過させることによりレーザ光の断面の光強度分布の均一性を高める場合に用いて好適なレーザ発振器に関する。

近年、断面の光強度分布の均一性が高いレーザ光（以下、フラットトップビームと称する）を得るための技術の開発が進んでいる。例えば、レーザ光を光ファイバを通過させることにより、フラットトップビームを得ることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、従来、誘導ラマン散乱及び誘導ブリルアン散乱を利用して、任意の波長のレーザ光から広い波長域の範囲内に広がったレーザ光を得ることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。具体的には、特許文献３に記載の発明では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから波長λ１のレーザ光を光ファイバに導入し、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によりレーザ光を反射することにより、誘導ラマン散乱が活性化される。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとＦＢＧの間に、波長λ２を含む波長域Δλ１のレーザ光を反射する１対のチャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）を設けることにより、ＣＦＢＧにより波長λ２のレーザ光が発振し、さらに誘導ブリルアン散乱により多波長のレーザ光が発振する。その結果、波長λ１のレーザ光から波長域Δλ１のレーザ光が得られる。

特開２００９−１６８９１４号公報特開２０１１−１８９３８９号公報特開２００２−３５３５３９号公報

ここで、図１乃至図３を参照して、ファイバレーザから出射されるレーザ光を光ファイバを通過させてフラットトップビームを得る場合について検討する。

図１のレーザ発振器１１は、シードＬＤ（レーザダイオード）２１及びファイバ増幅器２２を含むファイバレーザにより構成される。そして、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光は、レンズ系１２を介して、コアの断面が矩形の角形光ファイバ１３に導入され、角形光ファイバ１３を通過し、出射される。

図２は、角形光ファイバ１３から出射されたレーザ光の照射面におけるビームプロファイルの測定結果を模式的に示している。この例に示されるように、照射面において多数のスペックルが発生し、光強度分布にバラツキが生じている。これは、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光のスペクトル幅が狭く、コヒーレント性が高いことにより、レーザ光の干渉が発生しやすいためである。

例えば、図３は、角形光ファイバ１３を通過するレーザ光の軌跡の例を示している。図内の矢印で示されるように、角形光ファイバ１３内の異なる軌跡を通ったレーザ光が、照射面の同じ位置に照射されると、各レーザ光の波長が同じため干渉が起こる。そして、角形光ファイバ１３から出射された同じ波長のレーザ光が、照射面において不規則な位相関係で干渉し合い、不規則な干渉パターンが生じることにより、スペックルが増加し、光強度分布にバラツキが生じる。その結果、レーザ加工のムラが生じ、加工品質が低下する。

そこで、本発明は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光ファイバを通過させた場合に、断面の光強度分布の均一性を向上させるようにするものである。

本発明の第１の側面のレーザ発振器は、全反射面と部分反射面により構成される第１の光共振器を有するシングルモードの半導体レーザと、前記半導体レーザの前記部分反射面から出射される光が入射するとともに、前記半導体レーザの前記全反射面との間で第２の光共振器を構成する回折格子であって、反射帯域が異なる複数の回折格子が形成されているファイバブラッググレーティングと、前記ファイバブラッググレーティングから出射されたレーザ光を増幅するファイバ増幅器とを備え、複数の前記回折格子の各反射帯域は、それぞれ前記半導体レーザのスペクトル幅より広く、隣接する反射帯域と一部が重なっており、複数の前記回折格子の反射帯域を重ね合わせた反射帯域は、前記半導体レーザのピーク波長を含む。

本発明の第１の側面のレーザ発振器においては、第１の光共振器及び第２の光共振器により、異なる波長のレーザ光が発振された後、レーザ光が増幅される。

これにより、簡単な構成により、レーザ発振器から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることができる。また、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光ファイバを通過させた場合に、断面の光強度分布の均一性を向上させることができる。

このファイバ増幅器から出射されたレーザ光を、光ファイバを通過させた後、加工対象物に照射させるようにすることができる。

これにより、断面の光強度分布の均一性が高いレーザ光を加工対象物に照射することができ、加工品質が向上する。

本発明の第２の側面のレーザ発振器は、全反射面と部分反射面により構成される第１の光共振器を有するシングルモードの半導体レーザと、前記半導体レーザの前記部分反射面から出射される光が入射するとともに、前記半導体レーザの前記全反射面との間で第２の光共振器を構成する回折格子であって、反射帯域が異なる複数の回折格子が形成されているファイバブラッググレーティングとを備え、複数の前記回折格子の各反射帯域は、それぞれ前記半導体レーザのスペクトル幅より広く、隣接する反射帯域と一部が重なっており、複数の前記回折格子の反射帯域を重ね合わせた反射帯域は、前記半導体レーザのピーク波長を含み、前記ファイバブラッググレーティングから出射されるレーザ光を出射する。

本発明の第２の側面のレーザ発振器においては、第１の光共振器及び第２の光共振器により、異なる波長のレーザ光が発振された後、出射される。

これにより、簡単な構成により、レーザ発振器から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることができる。また、レーザ発振器から出射されるレーザ光を、光ファイバを通過させた場合に、断面の光強度分布の均一性を向上させることができる。

本発明の第１の側面又は第２の側面によれば、レーザ発振器から出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることができる。また、本発明の第１の側面又は第２の側面によれば、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光ファイバを通過させた場合に、断面の光強度分布の均一性を向上させることができる。

従来のレーザ加工装置の一例を示す図である。従来のレーザ加工装置から出射されるレーザ光のビームプロファイルの例を示す図である。従来のレーザ加工装置の角形光ファイバを通過するレーザ光の軌跡の例を示す図である。本発明を適用したレーザ加工装置の一実施の形態を示す図である。シードＬＤの構成例を示す図である。ＦＢＧの構成例を示す図である。ＦＢＧの反射特性の例を示すグラフである。本発明を適用したレーザ発振器のレーザ発振の原理を説明するための図である。本発明を適用したレーザ発振器から出射されるレーザ光のスペクトルの例を示す図である。本発明を適用したレーザ加工装置から出射されるレーザ光のビームプロファイルの例を示す図である。本発明を適用したレーザ加工装置の角形光ファイバを通過するレーザ光の軌跡の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例

＜１．実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図４は、本発明を適用したレーザ加工装置１０１の一実施の形態を示している。レーザ加工装置１０１は、例えば、薄膜太陽電池パネルや有機ＥＬ等の加工に用いられる。また、レーザ加工装置１０１は、レーザ発振器１１１、レンズ系１１２及び角形光ファイバ１１３を含むように構成される。

レーザ発振器１１１は、ファイバ増幅器１２３によりレーザ光の増幅を行うファイバレーザにより構成され、シードＬＤ（レーザダイオード）１２１、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１２２及びファイバ増幅器１２３を含むように構成される。

シードＬＤ１２１は、例えば、標準的なシングルモードの半導体レーザにより構成され、所定の波長のレーザ光を発振し、出射する。なお、以下、シードＬＤ１２１が、ピーク波長が1062nmのレーザ光を発振する場合を例に挙げて説明する。

図５は、シードＬＤ１２１の構成例を示している。シードＬＤ１２１は、＋側の電極２０１ａと−側の電極２０１ｂの間に、Ｐ型半導体２０２、活性層２０３及びＮ型半導体２０４が積層された構成を有している。また、シードＬＤ１２１の各層に対して垂直な方向の側面であって、互いに対向する側面の一方に全反射面２０５が形成され、他方に部分反射面２０６が形成されている。この全反射面２０５と部分反射面２０６により光共振器（以下、内部共振器と称する）が構成される。

図４に戻り、ＦＢＧ１２２は、シードＬＤ１２１の部分反射面２０６側に配置され、部分反射面２０６から出射される光が入射する。ＦＢＧ１２２は、例えば、融着によりシードＬＤ１２１に接続される。

図６は、ＦＢＧ１２２の構成例を示している。ＦＢＧ１２２は、コア２５１とクラッド２５２からなる光ファイバのコア２５１中に、中心波長（ブラッグ波長）が異なる３つの回折格子２５３ａ乃至２５３ｃを光軸方向に並べるように形成したものである。

図７は、回折格子２５３ａ乃至２５３ｃ及びＦＢＧ１２２全体の反射特性の例を示している。具体的には、図７の上側の左端のグラフは回折格子２５３ａの反射特性を示し、真ん中のグラフは回折格子２５３ｂの反射特性を示し、右端のグラフは回折格子２５３ｃの反射特性を示している。また、図７の下側のグラフは、ＦＢＧ１２２全体の反射特性を示している。

回折格子２５３ａ乃至２５３ｃの反射帯域の帯域幅は、標準的なＦＢＧの回折格子の反射帯域より広く、また、シードＬＤ１２１のスペクトル幅より広くなっている。具体的には、回折格子２５３ａの反射帯域は、1058nmを中心とする約4nmの幅の帯域である。回折格子２５３ｂの反射帯域は、シードＬＤ１２１のピーク波長と同じ1062nmを中心とする約4nmの幅の帯域である。回折格子２５３ｃの反射帯域は、1066nmを中心とする約4nmの幅の帯域である。

また、各反射帯域は、隣接する反射帯域と一部が重なっている。具体的には、回折格子２５３ａの反射帯域の長波長側と、回折格子２５３ｂの反射帯域の短波長側が一部重なり、回折格子２５３ｂの反射帯域の長波長側と、回折格子２５３ｃの反射帯域の短波長側が一部重なっている。そして、回折格子２５３ａ乃至２５３ｃの反射帯域を重ね合わせたＦＢＧ１２２全体の反射帯域は、1062nmを中心とする約8nmの幅の帯域となる。

このように、反射帯域が異なる複数の回折格子２５３ａ乃至２５３ｃを形成することにより、簡単に反射帯域の広いＦＢＧ１２２を得ることができる。

後述するように、シードＬＤ１２１の全反射面２０５とＦＢＧ１２２の回折格子２５３ａ乃至２５３ｃにより３つの光共振器（以下、外部共振器と称する）が構成され、各外部共振器において、シードＬＤ１２１とは異なる波長のレーザ光が発振する。そして、シードＬＤ１２１単体で発振したレーザ光、及び、各外部共振器で発振したレーザ光が、ＦＢＧ１２２から出射され、ファイバ増幅器１２３に入射する。

なお、以下、回折格子２５３ａ乃至２５３ｃを個々に区別する必要がない場合、単に、回折格子２５３と称する。

図４に戻り、ファイバ増幅器１２３は、光ファイバを媒質とする増幅器であり、ＦＢＧ１２２から出射されたレーザ光を増幅して出射する。ファイバ増幅器１２３から出射されたレーザ光は、レンズ系１１２により角形光ファイバ１１３に導入される。

角形光ファイバ１１３は、コアの断面が矩形であり、入射したレーザ光の断面を矩形に成形して出射する。なお、後述するように、角形光ファイバ１１３から出射されるレーザ光は、断面の光強度分布の均一性が高いフラットトップビームとなる。

角形光ファイバ１１３から出射されたレーザ光は、図示せぬ加工光学系を介して、例えば、薄膜太陽電池パネルや有機ＥＬ等の加工対象物に照射され、レーザ加工が行われる。

［角形光ファイバ１１３から出射されるレーザ光がフラットトップビームとなる原理］
次に、図８乃至図１１を参照して、角形光ファイバ１１３から出射されるレーザ光がフラットトップビームとなる原理について説明する。

図８に示されるように、シードＬＤ２１の電極２０１ａと電極２０１ｂの間に電圧を印加すると、活性層２０３において自然放出光が発生する。この自然放出光の波長特性は、ほぼガウス分布に従い、所定の波長（例えば、1062nm）を中心とする比較的広い帯域幅（例えば、200nm程度）を有している。そして、活性層２０３において、この自然放出光をシード光とする誘導放出が引き起こされ、誘導放出光が発生する。また、全反射面２０５と部分反射面２０６からなる内部共振器の間を自然放出光及び誘導放出光が往復し、誘導放出が引き起こされる。このとき、内部共振器において、”内部共振器の共振器長＝波長の整数倍”となる波長の光が共振し、増幅される。このようにして、所定の波長（例えば、1062nm）のレーザ光が発振する。そして、発振したレーザ光、並びに、自然放出光及び誘導放出光の一部を含む光が、部分反射面２０６から出射される。

また、部分反射面２０６とＦＢＧ１２２の各回折格子２５３により構成される各外部共振器においても、内部共振器と同様に、所定の波長のレーザ光が発振する。そして、内部共振器（シードＬＤ１２１単体）及び外部共振器において発振したレーザ光が、ＦＢＧ１２２からファイバ増幅器１２３に向けて出射される。

ここで、各外部共振器において、各回折格子２５３の反射帯域内で、かつ、”各外部共振器の共振器長＝波長の整数倍”となる波長のレーザ光が発振する。

このように、シードＬＤ２１（内部共振器）及び各外部共振器において、シードＬＤ２１のピーク波長、及び、当該ピーク波長の近傍の複数の波長のレーザ光が発振する。これにより、シードＬＤ１２１単体から出射されるレーザ光よりスペクトル幅が広いレーザ光が、レーザ発振器１１１から出射される。

図９は、レーザ発振器１１１から出射されるレーザ光のスペクトルの一例である。この例に示されるように、レーザ発振器１１１から出射されるレーザ光は、シードＬＤ１２１のピーク波長である1062nmの他に、ＦＢＧ１２２の各回折格子２５３の中心波長付近にもピークが現れるとともに、スペクトル幅が広がっている。

図１０は、角形光ファイバ１１３から出射されるレーザ光の照射面におけるビームプロファイルの測定結果を模式的に示している。上述した図２の例と比較すると、スペックルが減少し、光強度分布がほぼ均一になっている。これは、従来のレーザ発振器１１（図１）から出射されるレーザ光と比較して、レーザ発振器１１１から出射されるレーザ光のスペクトル幅が広く、コヒーレント性が弱いことにより、レーザ光の干渉が発生しにくくなるためである。

例えば、図１１は、図１と同様に、角形光ファイバ１１３から出射されるレーザ光の軌跡の例を示している。なお、各矢印の線種の違いは、波長の違いを示している。この図のように、異なる波長のレーザ光が照射面の同じ位置に照射されたとしても、各レーザ光は干渉しない。

そして、レーザ光のスペクトル幅が広がり、コヒーレント性が低下することにより、角形光ファイバ１１３内の異なる軌跡を通った同じ波長のレーザ光が、照射面の同じ位置に照射され、干渉する可能性が低くなる。これにより、照射面においてレーザ光のスペックルが減り、光強度分布の均一性が向上する。その結果、レーザ加工のムラが減少し、加工品質が向上する。

また、レーザ発振器１１１は、シードＬＤ１２１にＦＢＧ１２２を接続するだけの簡単な構成により実現することができるため、各種の調整作業、装置の大型化、コストの上昇等の発生を抑制することができる。

さらに、レーザ加工装置１０１は、ファバレーザからなるレーザ発振器１１１を用いているため、他の固体レーザを用いた場合と比較して、レーザ光の繰り返し周波数、パルス幅、出力強度等を容易に独立して調整することが可能である。

＜２．変形例＞
以下、上述した本発明の実施の形態の変形例について説明する。

例えば、ＦＢＧ１２２に形成する回折格子２５３の数は、３つに限定されるものではなく、１以上の任意の数に設定することができる。

また、回折格子２５３の反射特性は、図７に示される例に限定されるものではなく、例えば、シードＬＤ１２１の波長特性等に応じて、反射帯域の中心波長や帯域幅等を変更することが可能である。

さらに、本発明は、コアの断面が矩形以外の形状（例えば、円形）の光ファイバを用いる場合にも適用することができる。

また、例えば、シードＬＤ１２１とＦＢＧ１２２を融着等により物理的に接続せずに、レンズ等を介して、光学的に接続するようにしてもよい。

さらに、例えば、シードＬＤ１２１及びＦＢＧ１２２により、加工に必要な強度のレーザ光を得られる場合には、ファイバ増幅器１２３を設けないようにすることも可能である。

また、本発明は、ＦＢＧ１２２の代わりに、シードＬＤ１２１の全反射面との間で外部共振器を構成することが可能な光学部品を用いることも可能である。

さらに、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０１レーザ加工装置
１１１ファイバレーザ
１１２レンズ系
１１３角形光ファイバ
１２１シードＬＤ
１２２ＦＢＧ
１２３ファイバ増幅器
２０１ａ，２０１ｂ電極
２０２Ｐ型半導体
２０３活性層
２０４Ｎ型半導体
２０５全反射面
２０６部分反射面
２５１コア
２５２クラッド
２５３ａ乃至２５３ｃ回折格子

Claims

全反射面と部分反射面により構成される第１の光共振器を有するシングルモードの半導体レーザと、
前記半導体レーザの前記部分反射面から出射される光が入射するとともに、前記半導体レーザの前記全反射面との間で第２の光共振器を構成する回折格子であって、反射帯域が異なる複数の回折格子が形成されているファイバブラッググレーティングと、
前記ファイバブラッググレーティングから出射されたレーザ光を増幅するファイバ増幅器と
を備え、
複数の前記回折格子の各反射帯域は、それぞれ前記半導体レーザのスペクトル幅より広く、隣接する反射帯域と一部が重なっており、複数の前記回折格子の反射帯域を重ね合わせた反射帯域は、前記半導体レーザのピーク波長を含む
レーザ発振器。
前記ファイバ増幅器から出射されたレーザ光は、光ファイバを通過させた後、加工対象物に照射される
請求項１に記載のレーザ発振器。
全反射面と部分反射面により構成される第１の光共振器を有するシングルモードの半導体レーザと、
前記半導体レーザの前記部分反射面から出射される光が入射するとともに、前記半導体レーザの前記全反射面との間で第２の光共振器を構成する回折格子であって、反射帯域が異なる複数の回折格子が形成されているファイバブラッググレーティングと
を備え、
複数の前記回折格子の各反射帯域は、それぞれ前記半導体レーザのスペクトル幅より広く、隣接する反射帯域と一部が重なっており、複数の前記回折格子の反射帯域を重ね合わせた反射帯域は、前記半導体レーザのピーク波長を含み、
前記ファイバブラッググレーティングから出射されるレーザ光を出射する
レーザ発振器。