(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シード用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１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を発生するシード光発生部と、
希土類元素として少なくともＹｂ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、
前記シード用レーザダイオード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、
前記増幅用光ファイバの出力端から出るスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあるパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するファイバレーザ加工装置。
【請求項２】
前記励起光源は、１つまたは複数の第１の励起用レーザダイオードを有する、請求項１に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項３】
前記増幅用光ファイバの利得は２０ｄＢ以上である、請求項１または請求項２に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項４】
シード用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１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を発生するシード光発生部と、
希土類元素として少なくともＹｂ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して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第１段増幅パルスの光ビームを出す第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、
前記シード用レーザダイオードおよび前記第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、
希土類元素として少なくともＹｂ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からの前記第１段増幅パルス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段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第２段増幅パルスの光ビームを出す第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、
前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するファイバレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１および第２の励起光源は、それぞれ１つまたは複数の第１の励起用レーザダイオードを有する、請求項４に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第１および第２の増幅用光ファイバの利得はそれぞれ２０ｄＢ以上である、請求項４または請求項５に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項７】
前記シード光発生部が、前記シード用レーザダイオードの温度を８℃〜１６℃の範囲内に制御するＬＤ温調部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項８】
前記シード光発生部が、前記シード用レーザダイオードで生成される光のうちスペクトルの中心波長を１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲内で固定する波長固定手段を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項９】
前記波長固定手段は、ファイバブラッググレーティングを有する、請求項８に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記シード光発生部は、前記シード光を０．１ｎｓ〜２００ｎｓのパルス幅および１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの繰り返し周波数で発生する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項１１】
希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、入力端より前記コアの中にパルス波形のシード光を入れ、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入力端にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高い前記シード光を注入するシード光注入部と、
前記増幅用光ファイバの入力端に前記コアを励起するための励起光を注入する励起光注入部と、
前記増幅用光ファイバの出力端から出たスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあるパルス波形の加工用光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するファイバレーザ加工装置。
【請求項１２】
希土類元素として少なくともＹｂを添加した第１のコアを有し、入力端より前記第１のコアの中にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第１段増幅パルスの光ビームを出す第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入力端にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高い前記シード光を注入するシード光注入部と、
前記第１の増幅用光ファイバの入力端に前記第１のコアを励起するための第１の励起光を注入する第１の励起光注入部と、
希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、入力端より前記第２のコアの中に前記第１の増幅用光ファイバからの前記第１段増幅パルスの光ビームを入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームシード光を伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第２段増幅パルスの光ビームを出す第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入力端に前記第２のコアを励起するための第２の励起光を注入する第２の励起光注入部と、
前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するファイバレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記シード光注入部が、前記シード光を発生するためのシード用レーザダイオードと、前記シード用レーザダイオードの温度を８℃〜１６℃の範囲内に制御するＬＤ温調部とを有する、請求項１１または請求項１２に記載のファイバレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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パルス波形の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ファイバレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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該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り、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。
【０００４】
ＭＯＰＡ方式ファイバレーザのシードレーザとしては、レーザダイオード（ＬＤ）が好適に用いられている（たとえば特許文献１）。この場合、シードＬＤより、Ｙｂ添加石英コアの増幅帯域（１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）内にスペクトル中心波長（たとえば１０９０ｎｍ）を有するＬＤ光がシード光として出力される。
【０００５】
また、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置のシードレーザとして、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発振出力するＹＡＧレーザを用いることも考えられている（たとえば特許文献２，３）。ＹＡＧレーザ光の波長１０６４ｎｍも、アクティブファイバの誘導放出特性に合致または適合している。
【０００６】
図２９に、アクティブファイバのコアに広く用いられるＹｂ添加石英のスペクトル特性（吸収断面積／放出断面積）を示す。図示のように、Ｙｂ添加石英においては、スペクトルが１０６０ｎｍを超えると誘導放出に比して吸収が著しく少なくなる。この付近の波長領域における吸収は、レーザ光の再吸収による利得損失の原因になるため、極力小さい方が望ましい。このため、１０６０ｎｍ以上の波長領域（通常１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ）が増幅帯域に用いられている。他方で、９００ｎｍ〜９９０ｎｍの波長領域はスペクトルの放出が少なくて吸収が大きい帯域となっている。
【０００７】
したがって、アクティブファイバの一端からコアの中にシード光として波長１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍのＬＤまたは波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光を注入し、それと同時に９００ｎｍ〜９９０ｎｍ帯域内の波長を有するポンピング用の励起光を注入すると、アクティブファイバのコア内では、励起光のエネルギーを吸収して高エネルギー順位に励起されたＹｂイオンがシード光と同じスペクトル中心波長を有する光を放出して低エネルギー順位に遷移する現象（誘導放出）によって、シード光の増幅が行われる。そして、アクティブファイバの出力端よりシード光（ＬＤ光）と同じスペクトル中心波長を有する高出力の加工用光ビームが取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６２７５２５０号
【特許文献２】特開２００７−２５３１８９
【特許文献３】特開２００９−２２０１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザ加工において、高ピークパワーを有するパルス波形のレーザ光は、被加工物に与える熱影響が少ないため、マーキング、穴あけ等で好適に用いられている。ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、パルス幅が数１００ｎｍ以下の短パルスレーザ光を生成するには、特許文献１のようにシードＬＤにパルス波形のシード光を出力させる方法、あるいは特許文献２，３のようにシード用のＹＡＧレーザをＱスイッチ方式にする方法が採られている。
【００１０】
シードＬＤによりパルス波形のシード光を生成する方法は、シードＹＡＧレーザのＱスイッチ方式よりも小型軽量で発振効率が高いという長所がある。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、アクティブファイバ内で増幅されてシード側に戻ってくる光（戻り光）があり、シードＬＤよりパルス波形のシード光をアクティブファイバに注入し、高ピークパワーの加工用光ビームを得るためにアンプの利得を上げると、戻り光の中にＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）による意図しないスパイクノイズが発生しやすく、これが問題となっている。この種のスパイクノイズは尖頭値が非常に高くて、シードＬＤ、励起光源、アクティブファイバ等にダメージを与えるからである。
【００１１】
この問題に対して、従来は、シードＬＤとアクティブファイバとの間に設けるアイソレータを増やしたり、励起光源(一般にＬＤ)には励起光を通過させて戻り光を遮断する保護フィルタ（たとえば誘電体多層膜）を付けたりしているが、コスト高を伴う割にはＡＳＥスパイクノイズによる電気／光学部品のダメージを確実に防止することは難しく、他方でアクティブファイバの保護は全く出来ていない。
【００１２】
また、戻り光を監視し、スパイクノイズが発生した時にアンプの利得を下げ、もしくはファイバレーザの発振動作を停止する技法も提案されている。しかし、一発のスパイクノイズでシードＬＤ、励起光源等が破損することがあり、この技法も有効性に乏しくて実用的ではない。
【００１３】
このため、アンプの利得を常時一定の限度（通常２０ｄＢ以下）に抑える方法が最も無難な手法として多く用いられている。しかし、この限度は目安でしかなく、２０ｄＢでもスパイクノイズが発生することがある。また、アンプの利得を抑えながら、高ピークパワーの加工用パルスレーザ光を得るには、アンプを複数多段に接続して一段当たりの低い利得を補う必要があるが、その場合には、部品点数の大幅な増大によって、装置全体の大型化、高コスト化を来している。
【００１４】
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、シード用のレーザダイオードよりパルス波形のシード光を増幅用光ファイバに注入するＭＯＰＡ方式において、アンプの利得を十分高くしてもスパイクノイズの発生を確実に防止または抑制して、シード用レーザダイオード、励起光源、アクティブファイバ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えるようにしたファイバレーザ加工装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点におけるファイバレーザ加工装置は、シード用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１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を発生するシード光発生部と、希土類元素として少なくともＹｂ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、前記シード用レーザダイオード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、前記増幅用光ファイバの出力端から出るスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあるパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００１６】
本発明の第２の観点におけるファイバレーザ加工装置は、希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、入力端より前記コアの中にパルス波形のシード光を入れ、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入力端にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高い前記シード光を注入するシード光注入部と、前記増幅用光ファイバの入力端に前記コアを励起するための励起光を注入する励起光注入部と、前記増幅用光ファイバの出力端から出たスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあるパルス波形の加工用光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００１７】
上記第１または第２の観点におけるファイバレーザ加工装置においては、増幅用光ファイバの中で、シード光は、Ｙｂ添加の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増幅用光ファイバ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原子を励起する。こうして、シード光と励起光とが増幅用光ファイバを伝搬する間に、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、増幅用光ファイバの出力端より所望のパワーを有するまでに増幅されたシード光つまり増幅パルスの光ビームが出される。この第１段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であり、この増幅パルスの光ビームが光ビーム照射部によって被加工物に昇降照射される。
【００１８】
ここで、シード光のスペクトルの中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いときは、増幅用光ファイバにおいてはＹｂ添加コアのスペクトル増幅帯域から外れるため、増幅用光ファイバ内の誘導放出においてシード光の再吸収による利得損失が増加することになるが、戻り光としてスパイクノイズが発生する確率が０になる。したがって、励起光源の出力パワーを高くすることにより、上記再吸収による利得損失を補って増幅用光ファイバの利得を任意に上げることができる。
【００１９】
本発明の第３の観点におけるファイバレーザ加工装置は、シード用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１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を発生するシード光発生部と、希土類元素として少なくともＹｂ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して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第１段増幅パルスの光ビームを出す第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、前記シード用レーザダイオードおよび前記第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、希土類元素として少なくともＹｂ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からの前記第１段増幅パルス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段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第２段増幅パルスの光ビームを出す第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、前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００２０】
また、本発明の第４の観点におけるファイバレーザ加工装置は、希土類元素として少なくともＹｂを添加した第１のコアを有し、入力端より前記第１のコアの中にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高いパルス波形のシード光を入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第１段増幅パルスの光ビームを出す第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入力端にスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあり、１０５６ｎｍ〜１０５７ｎｍの波長領域におけるパワーがその全域でピークパワーの−１０ｄＢより高い前記シード光を注入するシード光注入部と、前記第１の増幅用光ファイバの入力端に前記第１のコアを励起するための第１の励起光を注入する第１の励起光注入部と、希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、入力端より前記第２のコアの中に前記第１の増幅用光ファイバからの前記第１段増幅パルスの光ビームを入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームシード光を伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端よりスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にある第２段増幅パルスの光ビームを出す第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入力端に前記第２のコアを励起するための第２の励起光を注入する第２の励起光注入部と、前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００２１】
上記第３または第４の観点におけるファイバレーザ加工装置においては、上記第１または第２のファイバレーザ加工装置と同様の作用効果が奏されるのに加えて、複数段のアンプ構成により装置全体の利得を一層高くすることができる。
【００２２】
本発明の好適な一態様においては、各々の励起光源は、１つまたは複数の第１の励起用レーザダイオードを有し、各々の増幅用光ファイバの利得は２０ｄＢ以上である。
【００２３】
また、好適な一態様においては、シード光発生部が、シード光のスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲にあるようにシード用レーザダイオードの温度を制御するＬＤ温調部を有する。あるいは、シード光発生部が、シード用レーザダイオードで生成される光をスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲に固定する手段、たとえばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有する。
【００２４】
また、好適な一態様においては、シード光発生部が、シード用レーザダイオードの温度を８℃〜１６℃の範囲内に制御するＬＤ温調部を有する。さらには、シード光発生部が、シード用レーザダイオードで生成される光をスペクトルの中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５７ｎｍの範囲に固定する手段、たとえばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のファイバレーザ加工装置によれば、シード用のレーザダイオードよりパルス波形のシード光を増幅用光ファイバに注入するＭＯＰＡ方式において、アンプの利得を十分高くしてもスパイクノイズの発生を確実に防止または抑制することができる。このことにより、シード用レーザダイオード、励起光源、アクティブファイバ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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】本発明を導出するのに用いられた実験機の構成を示すブロック図である。
【図３】上記実験機においてシードＬＤより出力されたパルス波形のシード光のパワーを示す図である。
【図４】上記実験機においてアクティブファイバより出力された増幅パルスの光ビームのパワーを示す図である。
【図５】上記実験機で行われた実験の結果を一覧表で示す図である。
【図６】図５の表におけるシードＬＤのベース温度とシード光のスペクトル中心波長との相関をプロットで示す図である。
【図７】上記実験の測定サンプル［１］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図８】上記実験の測定サンプル［２］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図９】上記実験の測定サンプル［３］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１０】上記実験の測定サンプル［４］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１１】上記実験の測定サンプル［５］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１２】上記実験の測定サンプル［６］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１３】上記実験の測定サンプル［７］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１４】上記実験の測定サンプル［８］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１５】上記実験の測定サンプル［９］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１６】上記実験の測定サンプル［１０］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１７】上記実験の測定サンプル［１１］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１８】上記実験の測定サンプル［１２］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図１９】上記実験の測定サンプル［１３］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２０】上記実験の測定サンプル［１４］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２１】上記実験の測定サンプル［１５］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２２】上記実験の測定サンプル［１６］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２３】上記実験の測定サンプル［１７］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２４】上記実験の測定サンプル［１８］で得られたシード光のスペクトルを示す図である。
【図２５Ａ】本発明におけるスペクトル中心波長の定義を説明するための一例を示す図である。
【図２５Ｂ】本発明におけるスペクトル中心波長の定義を説明するための別の例を示す図である。
【図２６】図５の表におけるシード光のスペクトル中心波長とスパイクノイズ発生確率との相関をプロットで示す図である。
【図２７】上記実験機のオシロスコープにより観測された通常の戻り光および異常な戻り光（スパイクノイズ）を示す図である。
【図２８】実施形態のＭＯＰＡファイバレーザ加工装置におけるシード光発生部の一変形例を示す図である。
【図２９】Ｙｂ添加石英におけるスペクトル特性（吸収断面積／放出断面積）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１〜図２８を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２８】
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。このファイバレーザ加工装置は、シード光発生部１０、第１および第２の増幅用光ファイバ（以下「アクティブファイバ」と称する）１２，１４および光ビーム照射部１６をアイソレータ１８，２０，２２および光結合器２４，２６を介して光学的に縦続接続している。
【００２９】
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。）３０と、このシードＬＤ３０をパルス波形の電流で駆動してパルス発振させるＬＤ駆動回路３２と、シード光のスペクトル中心波長に関連してシードＬＤ３０の温度を制御するＬＤ温調部３４とを有している。シードＬＤ３０は、ファイバカップリングＬＤとして構成されている。
【００３０】
シード光発生部１０と第１のアクティブファイバ１２との間に設けられる光結合器２４は、複数たとえば３つの入力ポート２４IN(1)，２４IN(2)，２４IN(3)と１つの出力ポート２４OUTとを有している。第１の入力ポート２４IN(1)には、アイソレータ１８を介してシードＬＤ３０が接続される。第２の入力ポート２４IN(2)には、第１の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。）３６が接続される。第３の入力ポート２４IN(3)は、増設ポートであり、ここに別のポンプＬＤ３６（図示せず）が接続されてもよく、あるいは後述するように戻り光モニタ装置（５４，５６）が接続されてもよい。出力ポート２４OUTには、アクティブファイバ１２の入力端が接続される。
【００３１】
シード光発生部１０、アイソレータ１８および光結合器２４により、第１の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ＬＤ３６および光結合器２４によって、第１の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。
【００３２】
第１の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。第１のアクティブファイバ１２（第１段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３６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。
【００３３】
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１４との間に設けられる光結合器２６は、複数たとえば７つの入力ポート２６IN(1)，２６IN(2)〜２６IN(7)と１つの出力ポート２６ＯＵＴとを有している。第１の入力ポート２６IN(1)には、アイソレータ２０を介して第１のアクティブファイバ１２の出力端が接続される。第２〜第５の入力ポート２６IN(2) 〜２６IN(5)には、第２のアクティブファイバ１４のコアを励起するためのポンプＬＤ３８がそれぞれ接続される。なお、本実施形態において、第６および第７の入力ポートは空きポートとなっているが、必要に応じてポンプＬＤを増設することもできる。出力ポート２６OUTには、第２のアクティブファイバ１４の入力端が接続される。
【００３４】
第２のアクティブファイバ１４も、第１のアクティブファイバ１２と同様に、少なくともＹｂ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。第２のアクティブファイバ１４（第２段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３８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。
【００３５】
光ビーム照射部１６は、第２のアクティブファイバ１４の出力端より取り出されるパルス波形の加工用光ビームＬＢをたとえばコリメータ３９、ベントミラー４０等の光伝送系を介して受け取り、受け取った光ビームＬＢをステージ４２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。
【００３６】
制御部４４は、キーボードあるいはマウス等の入力装置４６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。
【００３７】
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１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にある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（たとえば１００〜３００ｍＷ）および所望の繰り返し周波数（たとえば２０〜５００ｋＨｚ）で出力するように構成されている。なお、繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲で出力するように構成することができる。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２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。
【００３８】
一方、ポンプＬＤ３６は、スペクトル中心波長が９１５ｎｍである連続波（ｃｗ）の励起光を出力するように構成されている。ポンプＬＤ３６より出力される連続波の励起光は光結合器２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。なお、ポンプＬＤ３６は、出力する光のスペクトル中心波長を９００〜９９０ｎｍの範囲で選択することができる。
【００３９】
第１の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。
【００４０】
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の出力端より所望のパワー（たとえば２００Ｗのピークパワー）を有するまでに増幅されたシード光つまり第１段増幅パルスの光ビームが出される。この第１段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であり、１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にある。
【００４１】
第１のアクティブファイバ１２の出力端から出た第１段増幅パルスの光ビームは、アイソレータ２０および光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。一方、ポンプＬＤ３８からのスペクトル中心波長が９１５ｎｍの連続波（ｃｗ）の励起光が光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。
【００４２】
第２のアクティブファイバ１４においても、増幅対象の光ビームが異なるだけで、つまりシード光が第１段増幅光ビームに置き換わるだけで、第１のアクティブファイバ１２と同様の誘導放出機構による光増幅が行われ、アクティブファイバ１４の出力端より所望のパワー（たとえば２ｋＷのピークパワー）を有する第２段増幅パルスの光ビームが出される。この第２段増幅パルスの光ビームのスペクトル中心波長もシード光のスペクトル中心波長と同じであり、１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にある。
【００４３】
こうして、第２のアクティブファイバ１４の出力端から取り出された第２段増幅パルスの光ビームが、加工用の光ビームＬＢとして、たとえばコリメータ３９、ベントミラー４０を介して光ビーム照射部１６へ送られる。
【００４４】
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４４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４２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。
【００４５】
上記のように、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は、シード光発生部１０より出力されるパルス波形のシード光のスペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあり、ひいては被加工物Ｗの表面に照射される増幅パルスの光ビームＬＢのスペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあることが重要であり、主たる特徴となっている。
【００４６】
すなわち、１０６０ｎｍ以上の波長領域に増幅帯域があるＹｂ添加コアのアクティブファイバにおいてシード光のスペクトル中心波長を１０５４〜１０５７ｎｍに選ぶことは、シード光の再吸収による利得損失を積極的に受容することであり、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザの分野ではこれまでの技術常識に反している。
【００４７】
しかし、本発明者は、シード光のスペクトル中心波長を１０５４〜１０５７ｎｍに選ぶことにより、意外なことに、アンプの利得を相当高くしてもＡＳＥによるスパイクパルスの発生を確実に防止できることを以下に述べる実験を通じて見出した。
【００４８】
図２に、本発明者の使用した実験機の構成を示す。図中、上記実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置（図１）の構成要素と実質的に同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００４９】
図示のように、実験機は、シード光発生部１０とアイソレータ１８との間に光切替器５０を挿入し、シード光発生部１０より出力されるシード光を光切替器５０を介して分光装置５２に選択的に入力可能とし、分光装置５２によりシード光のスペクトル測定を行えるようにした。さらに、光結合器２４の第３入力ポート２４IN(3)にＰＩＮフォトダイードからなる受光素子５４を介してオシロスコープ５６を接続し、戻り光をモニタできるようにした。第１のアクティブファイバ１２の出力端にはフェルール５８を取り付け、第１段増幅パルスの光ビームの出力波形をＰＩＮフォトダイードからなる受光素子を介してオシロスコープ５６または別のオシロスコープでモニタできるようにした。また、スパイクノイズからポンプＬＤ３６を保護するために、ポンプＬＤ３６に誘電体多層膜からなる保護フィルタ６０を取り付けた。
【００５０】
この実験では、シード光発生部１０より図３に示すようなパルス波形（ピークパワー：２０７ｍｗ、パルス幅：８０ｎｓ）のシード光を２０ｋＨｚの繰り返し周波数で出力させるとともに、ポンプＬＤ３６より励起光を１．６Ｗで出力させた。なお、図３のシードＬＤの出力パワーは中心波長１０６０ｎｍで得られている。この場合、第１のアクティブファイバ１２の出力端からは、図４に示すようなパルス波形（ピークパワー：２５４ｗ、パルス幅：７５ｎｓ）を有する第１段増幅パルスの光ビームが得られた。アンプの利得は、約３１ｄＢであった。
【００５１】
シード光発生部１０においては、ＬＤ温調部３４の温調機能（ペルチェ素子およびサーミスタ使用）により、シードＬＤ３０のベース温度を広い範囲で任意の温度に調整し、それによってシード光のスペクトル中心波長を可変することができるようになっている。
【００５２】
本発明者が、この実験機において、ＬＤ温調部３４を通じてシードＬＤ３０のベース温度を−５℃〜２５℃の範囲内でステップ的（１８段階）に可変して、各段階のＬＤベース温度で得られるシード光のスペクトル中心波長を分光装置５２で測定するとともに、スパイクノイズの発生回数をオシロスコープ５６で測定したところ、図５の表に示すような測定結果が得られた。
【００５３】
図６に、図５の表におけるシードＬＤ３０ベース温度とシード光のスペクトル中心波長との相関をプロットで示す。また、図７〜図２４に、１８段階の各測定サンプル［１］〜［１８］について分光装置５２により測定されたシード光のスペクトルをそれぞれ示す。図中、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸はパワー（ｎＷ）を表わす。
【００５４】
本発明において、スペクトルの中心波長は、図２５Ａおよび図２５Ｂに示すように定義される。すなわち、図２５Ａに示すように、ピークが１つしかない場合は、そのピーク値の半値をとる２つの波長λ1，λ2の中心点λcつまり（λ1＋λ2）／２を中心波長とする。また、図２５Ｂに示すように、ピークが複数あり、最大ピーク値の半値をとる波長が３つ以上（図示の例は４つ）ある場合は、その最短の波長λ1と最長の波長λ4の中心点λcつまり（λ1＋λ4）／２を中心波長とする。
【００５５】
図６に示すように、シードＬＤ３０のベース温度が常温（２２℃〜２５℃）のときは、シード光の中心波長が１０６０ｎｍに固定される。
【００５６】
しかし、常温以下では、シードＬＤ３０のベース温度が低くなるほど、シード光の中心波長が小さくなり、ベース温度が８℃〜１６℃でシード光の中心波長が１０５４ｎｍ〜１０５８ｎｍの範囲内に入る。より詳細には、１６℃で１０５７．５ｎｍ、１５℃で１０５７ｎｍ、１４℃で１０５６．５ｎｍ、１１℃で１０５６ｎｍ、９℃で１０５５ｎｍ、８℃で１０５４ｎｍである。
【００５７】
そして、シードＬＤ３０のベース温度が７℃以下になると、シード光の中心波長が１０５４ｎｍよりも短くなる。より詳細には、７℃で１０５３．５ｎｍ、６℃で１０５３ｎｍ、４℃で１０５２ｎｍ、３℃で１０５２ｎｍ、２℃で１０５１．５ｎｍ、−１℃で１０５０．５ｎｍ、−２℃で１０５０．５ｎｍ、−４℃で１０５０．５ｎｍ、−５℃で１０４９ｎｍである。
【００５８】
図２６に、図５の表におけるシード光の中心波長とスパイクノイズ発生確率との相関をプロットで示す。ここで、スパイクノイズ発生確率は、上記実験機においてシード光発生部１０より上記のような繰り返し周波数（２０ｋＨｚ）でパルス波形のシード光（図３）を出力させたときに、オシロスコープで観測された単位時間（１０分間）当たり（つまり１２×１０6パルス当たり）のスパイクノイズ発生確率（ｐｐｍ）で表わしている。
【００５９】
この実験機（および図１の装置）におけるスパイクノイズは、ＡＳＥによるものと考えられており、図２７に示すように通常の戻り光に比して著しく（数倍以上）高いピーク値（尖頭値）を有している。このようなスパイクノイズが戻り光として光結合器２４の入力ポートに入ってくると、アイソレータ１８を逆方向に通過してシードＬＤ３０にダメージを与えたり、ポンプＬＤ３６を破壊することがある。
【００６０】
上記実験においては、シード光のスペクトルの中心波長が１０６０ｎｍのときにスパイクノイズの発生確率が１０００ｐｐｍ以上であり、これは想定内の結果であった。しかし、スペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあるときに、スパイクノイズの発生が皆無であること、つまり発生確率が０になることは全く予想外の発見であった。
【００６１】
なお、シード光のスペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあるときは、第１のアクティブファイバ１２の増幅帯域（１０６０ｎｍ〜）から外れるため、アクティブファイバ１２内の誘導放出においてシード光の再吸収による利得損失が増加し、アクティブファイバ１２の利得が中心波長１０６０ｎｍのときの値（約３１ｄＢ）よりも幾らか低下する。しかし、スパイクノイズの発生確率が０であるから、シード光の中心波長に起因する利得の低下を補って余るほどポンプＬＤ３６の総合出力を安心して任意に大きくすることができる。したがって、スパイクノイズの発生を前提とした従来一般の利得上限値（２０ｄＢ）を容易にクリア（撤廃）することができる。
【００６２】
本発明者が、上記実験で得られたデータ、特に図７〜図２４に示すシード光のスペクトルについて更なる解析を行った結果、スパイクノイズの発生確率が０になるときのスペクトルの属性として中心波長に関する上記要件（第１要件）の他にもう一つ重要な要件（第２要件）があることを見出した。
【００６３】
すなわち、図７〜図２４のスペクトルにおいて、１０５６〜１０５７ｎｍの波長帯域に着目すると、スパイクノイズの発生確率が０になる場合（測定サンプル［４］〜［９］）は、決まってこの波長帯域１０５６〜１０５７ｎｍの全域でスペクトルのパワーがピークパワーの−１０ｄＢ（１０分の１）よりも高くなっていることがわかる。これに対して、スパイクノイズが発生する場合（測定サンプル［１］〜［３］，［１０］〜［１８］）は、決まってこの波長帯域１０５６〜１０５７ｎｍの一部または全域でスペクトルのパワーがピークパワーの−１０ｄＢ（１０分の１）よりも低くなっていることがわかる。
【００６４】
一般に、この種のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置で使用されるシードＬＤの出力のスペクトル帯域幅は半値幅が通常４ｎｍ以内と狭いため、上記第１要件が満たされるとき（スペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあるとき）は、上記のような第２要件（波長帯域１０５６〜１０５７ｎｍの全域でスペクトルのパワーがピークパワーの−１０ｄＢ（１０分の１）よりも高いこと）も同時に満たされる蓋然性は極めて高い。しかし、シードＬＤ３０ないしシード光発生部１０の固体差または機差によっては、第１要件が満たされても第２要件が満たされず、反対に第２要件が満たされても第１要件が満たされないこともあり得る。したがって、第１および第２要件が同時に満たされるように、シード光発生部１０内の調整を行うことが望ましい。
【００６５】
この実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置（図１）においては、上記のような実験で得られた知見に基づいて、上記第１要件（より好ましくは第１および第２要件）が満たされるように制御部４４の制御の下でシード光発生部１０内の調整または制御を行うようにしている。
【００６６】
このことにより、第１のアクティブファイバ１２（第１段アンプ）の利得、さらには第２のアクティブファイバ１４（第２段アンプ）の利得をそれぞれ２０ｄＢ以上あるいは３０ｄＢ以上に高くしても、ＡＳＥによるスパイクノイズが略皆無といってよいほど発生しないので、スパイクノイズに起因するシードＬＤ３０、ポンプＬＤ３６，３８、アクティブファイバ１２，１４の損傷を確実に防止することができる。また、このことにより、アイソレータ１８の使用数を少なくすることや、ポンプＬＤ３６，３８から保護フィルタ６０を省くことも可能であり、部品点数を節減することができる。さらに、ＡＳＥによるスパイクノイズの発生を気にせずに両アクティブファイバ１２，１４の利得を任意に高くできるので、加工用光ビームＬＢの出力（ピークパワー）を任意に高くして、レーザ加工の品質および効率を大いに向上させることができる。
【００６７】
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。
【００６８】
たとえば、シーザ光発生部１０において、上記第１要件（スペクトル中心波長が１０５４〜１０５７ｎｍの範囲にあること）を満たすために、図２６に示すようにシードＬＤ３０の出力側にたとえばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）のような波長固定手段６２を設けることも可能である。
【００６９】
上記実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、第１のアクティブファイバ１２に第２のアクティブファイバ１４を従続接続して２段アンプとしている。しかし、第２のアクティブファイバ１４を省いて一段（単）アンプの構成とすることや、あるいは第２のアクティブファイバ１４の後段に第３のアクティブファイバを接続して３段アンプの構成とすることも可能である。
【００７０】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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