ナノ秒ファイバ型パルスレーザの開発
Development of Nano Second Pulsed Laser using Polarization Maintaining Fibers
松 下 俊 一 *，*2

宮 戸 泰 三 *，*2

Shun-ichi Matsushita

Taizo Miyato

大谷栄介 *

2Eisuke Otani

概要

橋 本 博 *，*2
Hiroshi Hashimoto

内野竜嗣 *

藤 崎 晃 *，*2

2

Tatsuji Uchino

Akira Fujisaki

物質に入力する光エネルギーを時間的に制御できるパルスレーザは，レーザ加工分野のマーキングや微細加工で活用が進んでいる。近年，ファイバ型パルスレーザの登場により，高信頼，高輝度，メンテナンスフリーなどの特長から，これまで主流であった CO2 レーザや YAG レーザからファイバ型パルスレーザへ置き換えが急速に進んでいる。スループットの向上や加工材料の適用範囲拡大のため，平均出力の増大や直線偏光出力，パルス幅や繰り返し周波数の可変性が求められる。当社では，これらの要請を満たすため，外部変調型と直接変調型のパルス光源を用い，その出力を偏波保持型 YDF 光増幅器で増幅する MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）構成の偏波保持ファイバ型パルスレーザを開発した。波長 1064 nm，繰り返し周波数 1 MHz，パルス幅は 100 ns 及び 10 ns において，最大出力 70 W 及び 13 W を実現した。

1.

囲を拡大するには，平均パワーの向上のほか，繰り返し周波数はじめにの高速化や波長変換のため定偏波出力が必要である。また，加近年，ファイバレーザの高出力化が進み 1）～ 3），CO2 レーザ

工技術の進展や応用範囲の拡大のため，パルス幅やパルスエネや YAG レーザが主流であった金属の溶接や切断，マーキング，ルギーのみならず繰り返し周波数などの光学パラメータの制御

半導体やセラミックのスクライビングなど，レーザ加工分野で性の向上が求められている。

その置き換えが進んでいる。これらレーザ加工の多くは，光が上述の要請を満たすため，当社では，外部変調型と直接変調物質に吸収されて発生する熱による溶融や材料の物性変化及び型のパルス Seed 光源を用いた，MOPA（Master Oscillator

変質を利用する。セラミックスや半導体，シリコン，特にプラPower Amplifier）構成図 1 の高繰り返し，高出力の偏波保持

スチックなどの樹脂や複合材料は，熱の影響により加工部周辺ファイバ型パルスレーザを開発した。の材料が劣化しやすく，加工品質の低下がおこる。加工品質を向上するには，入力する熱量を高精度に制御する必要があるたPM-YDFA

め，光エネルギーを時間的に制御できるパルスレーザが利用さ

PM-YDFAれる 4），5）。ファイバ型パルスレーザとして，共振器の Q 値を変化させて光パルスを発振させる Q-Switch 方式により，数 10 ～ISO

100 kHz，数 10 W 出力が実用化されており，小型，簡易かつメンテナンスフリーなどのメリットから，マーキング用に多く使われている。チタンやステンレスなどの金属のマーキングでは，光パルスの時間幅やエネルギーなどの諸条件を高精度に制御することで金属表面に彩色ができるため，携帯電話やカメラなどの印字や装飾など，パルスレーザを用いた加工応用が広がり始めている。
ファイバ型パルスレーザは，ファイバ中の非線形効果や部品

Seed pulsed laser (PM)Fiber laser + external mod.
Direct modulated Laser DiodePM-YDFA：Polarization Maintaining double clad Ytterbium
Doped Fiber Amplifier
ISO：Isolator

図1

ファイバ型パルスレーザ（MOPA）の基本構成
Configuration of a Pulsed Fiber Laser（MOPA：Master Oscillator Power Amplifier）の入力パワー制限のため，平均パワーや光パルスのエネルギーを上げることが難しい。加工のスループット向上や加工条件範* 情報通信カンパニー次世代レーザー事業推進チーム*2 研究開発本部ファイテルフォトニクス研究所

光伝送部品開発部
古河電工時報第 131 号（平成 25 年 2 月） 60

一般論文

2.

ナノ秒ファイバ型パルスレーザの開発

トレードオフの関係がある。ファイバインライン型の場合，ファイバ型パルスレーザ

AOM への入出力に用いるコリメータのパワー耐性や，開口の光パルス発生方法は主に，光変調器などの光学シャッタを光大きさに起因する結合損失の量で入出力パワーの上限が決ま共振器内に配置し，時間的に共振器の Q 値を変化させ光パルスる。現状，変調周波数が数 100 MHz，光入力が数 W，光パルを発振させる Q-switch 発振方式，CW レーザからの出力をス時間幅が数 10 ns ～ 100 ns 程度が，実用的な値である。外部AOM（Acousto-Optical Modulator）や LN（LiNbO3：ニオブ酸リ

変調器は，AOM の他，LN 光強度変調器がある。光情報通信チウム）光強度変調器などで光パルスを切り出す外部変調方式，の高速化により，10 GHz 程度の高速な電気信号発生器やドラSeed レーザの励起電流を直接変調し発振を時間的に制御する

イバ IC などが入手可能になり，100 ps レベルのパルス生成が直接変調方式がある。表１にファイバ型パルスレーザの光パル比較的容易になった。しかし，入力パワーが数 100 mW 程度とス発生方法と特長を示す。

AOM と比較すると一桁低く，後段の光増幅を考慮すると ASE（Amplified Spontaneous Emission）発生による SNR（Signal to表1

ファイバ型パルスレーザのパルス発生方法（代表例）
Methods of optical pulse generation of pulsed fiber
laser (typical example)
Q-Switch 方式

外部変調方式（AOM)

直接変調方式

パルス幅

数 10 ns～数 100 ns

約 30 ns ～数 100 ps ～繰返し周波数

数 10 kHz ～50 kHz

数 10 kHz ～数 10 kHz ～

特徴

高パルス
エネルギー

パルス幅も繰り返し周波数可変Noise Ratio）の低下が否めない。
以上を踏まえ，本開発では，高出力・高エネルギー光パルス出力を目的に，ファイバレーザからの CW 光を，ファイバインライン型の AOM で時間的に切り出す方式を，外部変調方式のSeed パルス光源に利用する。
図 2 に外部変調方式のファイバ型パルスレーザの光学構成を示す。ファイバレーザの共振器は偏波保持型イットリビウムダブルクラッドファイバ（PM-YDF：Polarization Maintaining
Double Clad Ytterbium Doped Fiber）を FBG（Fiber BraggGrating）で 作 成 し た HR（High Reflection Mirror）及 び OC（Output Coupler）で挟むことで構成されている 6）。 中心波長の安定化のため FBG は温度補償パッケージに収められている。
FBG の中心波長の温度依存性（赤線），温度補償後の特性（青線）

Q-Switch 発振方式は，共振器中に AOM などの光スイッチング素子を配置することで光パルス発振が行えるため，部品点数を図 3 に示す。温度補償を行うことで，－ 40℃～ 80℃の領域で中心波長がほぼ一定であることがわかる。

が少なく，比較的エネルギーの高い光パルスを発生させやすい。
一方，繰り返し周波数やパルス幅は共振器の特性に依存するたPM-YDFA

め，それらの値はある範囲に制限される。

AOM

外部変調方式は，レーザ発振とパルス生成が物理的に切り離されるため，これらを上手に組み合わせることで，出力波長やスペクトル特性，時間波形や繰り返し周波数などのレーザの特MM-LD

FBG (HR)FBG (OC)性を目的に合わせた柔軟な設計が可能である。

Function
Generator

直接変調方式は，半導体レーザの駆動電流を直接変調するため，外部変調方式と同等の特性を有しながら，部品点数の削減が行える利点がある。これら外部変調方式や直接変調方式の

図2

Seed レーザから出力される光パルスのパワーは，Q-Switch 発振方式と比較して小さい。レーザ加工に必要なパワー及びパル

外部変調方式の Seed パルス光源の基本構成
Configuration of pulsed seed laser using externalmodulation.
MM-LD：Multi Mode Laser Diode

スエネルギーを得るには，高利得，高出力のファイバ型光増幅

1.0
Wavelength deviation [nm]器が必要になる。そのため，光増幅器に使うファイバ長が長くなりやすく，ファイバ中の非線形効果によるエネルギー拡散や波形歪などを回避する技術開発が必要である。

3.

Seed パルスレーザの開発

3.1 外部変調方式
CW レーザを種光源とし，AOM や LN 光強度変調器により光シャッタとして一般的に用いられる AOM は，比較的高出-0.5-40-20020406080100Temperature [℃]は，CW レーザと外部変調器の組み合わせで，パルスの波形や力に対応するものの，動作帯域を高くすると開口が小さくなる

0.0-1.0-60

時間的に光を切り出すことで光パルスを生成する外部変調方式
時間幅，繰り返し周波数などの基本特性が決まる。

0.5CompensatedUncompensated

図3FBG の中心波長の温度依存性（赤線）と温度補償パッケージによる中心波長の温度依存性（青線）
Temperature dependence of center wavelength of FBG.
Uncompensated（Red）, Compensated（Blue）
古河電工時報第 131 号（平成 25 年 2 月） 61

一般論文

ナノ秒ファイバ型パルスレーザの開発

偏波保持イットリビウムファイバレーザからの出力は，150

1.20

MHz の帯域を持つ AOM に入力され，100 ns 程度の光パルスに切り取られる。繰り返し周波数は 1 MHz，光パルスのピー

100ns
50ns
30ns
10ns
5ns

1.00
Intensity (a.u.)

クパワーは約 1.5 W である。電気信号と光パルス波形を図 4 に示す。100 ns の矩形電気信号に対し，約 88 ns の光パルスが生成されている。

0.80
0.60
0.40
0.200.00

図5050

100Time (ns)150200直接変調方式による光パルスの時間波形（パルス幅 5 ns ～ 100 ns，繰り返し周波数 100 kHz 時）
Optical pulse shape from direct modulated Laser
Diode.（5 ns － 100 ns at 100 kHz）

3.3 パルスレーザ駆動用制御回路
AOM や LN 強度変調器，半導体 LD を制御するため，プログラム可能なデジタル電気信号を発生し，Seed 用 LD や励起用LD の駆動電流を制御する制御基板を開発した。図 6 に制御ブ
図4

外部変調方式の Seed レーザからの出力波形特性（黄色：変調電気信号，緑色：光パルス波形）
Output pulse shape from pulsed seed laser using
external modulation. Pulse shape. modulation signal（Yellow）, Optical pulse shape（Green）.

ロック図を示す。

3.2 直接変調方式

Seed LDDriver

半導体 LD の駆動電流を直接変調する直接変調方式は，外部変調器と同様に，GHz 帯域のドライバ IC や半導体 LD により，10 ns 以下の光パルス発生が簡易かつ安価にできるようになっ

ControllerPulse Generator

PC

図6た。直接変調方式は Duty 比が小さい場合でも，LN 変調器のよPump LD
DriverPump LDDriver

パルスレーザ制御基板の制御ブロック図
Control block diagram of pulsed laser control board.

うにゼロレベルのドリフトを制御する必要がない。更に，半導体 LD は高速応答特性に優れるため，主に 100 ns 以下のパルス制御基板は，各モジュール制御基板に制御信号を送り，変調生成や，光パルスの任意波形成形，GHz 帯域までの高繰り返信号や，LD 駆動電流，温度を制御する。各光出力はモニタされ，し化が可能である。LD の制御温度を調整することで，中心波出力一定制御やシャットダウンなどの安全機能，外部からの長の調整も可能である。図 5 に半導体 LD の直接変調による光ON/OFF 信号，PC からのコマンド入力に対し，動作ルーチンパルスの時間波形を示す。

を安全に遂行する機能を有する。

パルス幅，5 ns ～ 100 ns の範囲で制御性良く光パルスが出力されていることがわかる。パルスピークパワーは約 100 mW4.

である。

光パルス増幅器開発した 2 種類のパルス Seed レーザは，図 1 に示すように，2 段の偏波保持イットリビウムダブルクラッドファイバ光増幅器で所望の出力まで増幅する。光パルス増幅器の構成を図 7 に示す。
入力光パルスは，PM-TFB（Tapered Fiber Bundle）を介し，イットリビウム添加ファイバに入力される。励起光にはマルチモードレーザダイオード（MM-LD）を用い，TFB により最大18 台まで接続可能である。本構成の光パルス増幅器では，プリアンプに 1 台，ブースタアンプに 6 台の 25 W

MM-LD を接続している。ブースタアンプは最大 150 W の励起が可能である。 各 ア ン プ は， フ ァ イ バ 中 の SRS（Stimulated Raman
古河電工時報第 131 号（平成 25 年 2 月） 62

一般論文

ナノ秒ファイバ型パルスレーザの開発

Scattering）の発生を最小限に抑えるため，ファイバ長と利得4.2 直接変調方式パルスの増幅を最適化した。

直接変調方式光パルス Seed 光を増幅した結果を図 10 に示す。
パルス幅 10 ns，繰り返し周波数 1 MHz で，出力は 13 W 以上をPM-YDF (DC)得た。出力 7 W におけるスペクトルを図 11 に示す。
ブースタアンプの利得やファイバ長の最適化を行うことで，

ISO

PM-TFB

信号－ SRS 比 50 dB 以上を実現した。この時の励起光－信号光エネルギー変換効率は，約 29 % である。
…
MM-LDs up to x18

イットリビウムファイバ光増幅器の構成
Configuration of the Polarization Maintaining
Ytterbium Doped double clad Fiber Amplifier.

Output power [W]

図7Output power

204.1 外部変調方式パルスの増幅
図 8 に外部変調方式パルス Seed 光を増幅した結果を示す。

1510590800Output power [W]7060102030
Pump power [W]40

図 10 直接変調方式パルスレーザの出力特性 10 ns 1 MHz
Output power from an MOPA using direct modulation.
10 ns, 1 MHz.

504030201010024681012

Operating current [A]

外部変調方式パルスレーザの出力特性 100 ns，1 MHz
Output Power from MOPA using External Modulation.
100 ns, 1 MHz.

パルス時間幅は 100 ns，繰り返し周波数は 1 MHz である。出力は 70 W 超を示している。出力パワーの最大値を制限する一つの要因は，ラマン散乱光の増加であるが，光増幅器の特性を最適化することにより，信号出力に対しおおよそ－19 dB に抑えられた。図 9 に 70 W 出力時の光スペクトルを示す。70 W 出力時の励起光－信号光エネルギー変換効率は，約 45% である。

Normalized power [dB]0図800-10-20-30-40-50-601000

1050
1100
Wavelength [nm]1150

図 11 直接変調方式パルスレーザの出力スペクトル10 ns，1 MHz 7 W 時
Spectrum of output from an MOPA using
direct modulation. 10 ns, 1 MHz, 7 W.

20Power [dB]05．出力安定性とビームプロファイル-20

図 12 に外部変調方式のパルスレーザの出力安定性を示す。
平均出力 70.5 W に対し出力安定度は± 1.6% と良好な結果を示-40した。これは，Seed パルスの出力及び光増幅が安定している-60-801000

図9ほか，ファイバ中の偏波変動も小さいことを示している。出力1050
1100
Wavelength [nm]1150

光の偏光消光比は 20 dB 以上であった。

外部変調方式パルスレーザの出力スペクトル（70 W 出力時）
Spectrum of output from an MOPA using
External Modulation (70 W).
古河電工時報第 131 号（平成 25 年 2 月） 63

Output power [W]

一般論文

100
9080
706050403020
100

ナノ秒ファイバ型パルスレーザの開発

6.

おわりに

高光出力・高繰り返しを目的として，外部変調方式，直接変調方式を用いた 2 種類の偏波保持ファイバ型パルスレーザを開発した。
ここで用いられた技術は，光通信分野で飛躍的な発展を遂げている高速光変調技術，高出力光ファイバ増幅技術，偏波保持型ファイバや光部品の高出力化及び接続技術，各種非線形効果
012Time [hr]34

図 12 外部変調方式の出力安定性 100 ns，1 MHz 70 W 時
連続測定 4 h，出力安定度 ± 1.6%
Power stability of an MOPA using external modulation.
4 hours operation, The deviation from the mean is± 1.6% at 100 ns, 1MHz, 70 W.

抑圧技術がその背景にある 7），8）。
非線形効果の抑圧や利得を含めた光ファイバ増幅パラメータの最適化により，外部変調方式では，100 ns，1 MHz 時に平均70 W を超える出力を実現した。出力は平均値に対し± 1.6% の安定度を有し，偏光消光比は 20 dB 以上を示した。また，直接変調方式では，10 ns，1 MHz 時に 13 W 超の出力を実現した。
レーザの一つのパラメータであるレーザ出力の偏光は，これまで多くのファイバレーザでは時間的に変動するものであっ出力アイソレータからの出力光ビームプロファイルを図 13た。本パルスレーザは，偏波保持ファイバや接続技術を駆使すに示す。ビームはほぼガウシアン形状を示し，ビーム品質を表ることにより，安定した直線偏光出力を実現している。ファイ

す M 2 は 1.33 以下であった。レーザ加工向けのファイバ型パルバ出力による高輝度特性もあり，例えば波長変換技術と組み合スレーザとして十分な性能を示している。

わせることで，532 nm 帯や 355 nm 帯への波長領域の拡大につながる。今後，レーザ加工応用にとどまらず，バイオ・医療などの検査装置やエネルギー分野などで，新しい応用技術を実現するツールになることを期待する。

謝辞
本研究開発は，NEDO「次世代素材等レーザ加工技術開発プロジェクト」の一部で実施した。

参考文献

図 13 外部変調方式パルスレーザの出力光のビームプロファイル（アイソレータから 100 ㎝）
Beam profile of the output from the MOPA using
external modulation.（100 cm from the Isolator.）

1） D.J. DiGiovanni and M. H. Muendel,“High-power fiber lasersand amplifiers.”Optics & Photonics News, 26,（1999）
2） Y. Jeong, J.K. Sahu, D. N. Payne, and J. Nilsson.“Ytterbiumdoped large-core fiber laser with 1 kW continuous-wave outputpower”ASSP, PDP,（2004）
3） A. Tunnermann T. Schreiber, J. Limpert,“Fiber lasers andamplifiers： an ultrafast performance evolution”Appl. Optics,
Vol. 49, No.25,（2010）4） レーザ加工ハンドブック，オプトロニクス
5） レーザーハンドブック，レーザー学会
6） 藤崎晃，“ファイバーレーザーの線幅制御と 50 W 出力偏波保持出力 ” 電工時報 123 号（2009）7） 田代至男，“高出力光アンプの開発”電工時報 104 号（1999）
8） 松下俊一 “ファイバ型繰返し周波数可変超短パルス光源の開発”電工時報 122 号（2008）

古河電工時報第 131 号（平成 25 年 2 月） 64