JP2008227341A - High repetition and high peak output fiber laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高効率、高安定、高品質、高エネルギー、高ピーク出力、高繰り返し数、短パルス、コンパクトなどを特徴とする短共振器長発振器とファイバレーザ増幅器の組み合わせに関するもので、レーザによる材料の加工や計測などに多用される実用的なレーザ装置に関するものである。本発明が対象としている技術は、発振器−増幅器方式のパルスレーザシステムとは発振器によって発生したピークパワの低いレーザパルスを光増幅器によって増幅器し、高ピーク出力を得る発振器−増幅器方式のパルスファイバレーザシステムであり、パルスファイバレーザシステムとして、光パルスエネルギの主な供給源である光増幅器にファイバ増幅器を用いることを前提としており、ここではモードロック発振器と複雑なチャープパルス増幅を行うような極短パルスレーザシステムは高繰り返し数と高エネルギーとを同時に満足しないために含まれない。 The present invention relates to a combination of a short resonator length oscillator and a fiber laser amplifier characterized by high efficiency, high stability, high quality, high energy, high peak output, high repetition rate, short pulse, compact, etc. The present invention relates to a practical laser apparatus that is frequently used for processing and measuring materials. The technology targeted by the present invention is an oscillator-amplifier-type pulsed laser system, which is an oscillator-amplifier-type pulsed fiber laser system in which a laser pulse generated by an oscillator is amplified by an optical amplifier to obtain a high peak output. Yes, it is assumed that a fiber amplifier is used as an optical amplifier, which is a main source of optical pulse energy, as a pulse fiber laser system. Here, an ultrashort pulse laser that performs a mode-locked oscillator and complex chirped pulse amplification. The system is not included because it does not satisfy both high repetition rate and high energy at the same time.
発振器−増幅器方式のパルスレーザシステムは、発振器自身にゲインファイバを含む場合（ＣＡＳＥ１）、パルス駆動の半導体レーザを発振器とする場合（ＣＡＳＥ２）、バルクゲイン媒質を用いたＱスイッチレーザを発振器として用いる場合（ＣＡＳＥ３）などに分類される。
ＣＡＳＥ１の場合は、特許文献１に述べているように、発振器のゲイン媒質がファイバであるため共振器長が長く、極短パルスを得るためのモードロック発振器を除くと、パルス幅を０．１−１０ｎｓｅｃにすることは難しい。したがって、一段の増幅器だけで高いピーク出力を得ることは困難である。
ＣＡＳＥ２の利点は特許文献２に述べている通り、発振器として用いる半導体レーザを駆動する電流を変調することで、複雑なパルス波形を作りだすことが可能であり、０．１−１０ｎｓｅｃのパルス幅を得ることも容易で、非特許文献１に述べるように、高繰返し化も容易である。しかし、半導体レーザのピーク出力は低く、１０ｋＷ−１００ｋＷのピーク出力を得るためには多段増幅が必要にあるため、ASE（Amplified Spontaneous Emission）を抑制するための手段が必要となる。特許文献3−5ではASEを抑制するために、励起光源は発振器と同期したパルス駆動にすることを前提としている。また、非特許文献１で述べているように、このようなシステムの場合、増幅後のレーザパルスのスペクトル幅は広がってしまうため、バルクの非線形光学結晶を用いた波長変換において高調波を高効率で得ることは困難である。
ＣＡＳＥ３はファイバレーザシステムのコンパクト性を損なうことのない所謂マイクロチップレーザを発振器に用いることが多い。本発明もこの分類に属する。Cr:YAGなどの受動Qスイッチを内蔵したマイクロチップレーザは共振器長を極めて短くでき、0.1-10nsecのレーザパルスを容易に得ることができるばかりでなく、単一縦モードで発振させることができる。ただし、受動Ｑスイッチは外部クロックと同期を取る場合、同発振器のバルクレーザ結晶を励起する励起光源をパルス駆動する必要がある。したがって、高繰返しにおいて同発振器を外部クロックと同期して動作させることは極めて困難である。また、パルスのタイミングジッタも極めて大きく、加工用レーザとしては不向きである。バルクレーザ結晶を連続出力の励起光源で励起する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザは1kHz-10kHz程度で動作させることが多い。非特許文献２は1kHzで動作する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザからのレーザパルスをファイバ増幅器によって増幅し、高いピーク出力を得ている。しかし、繰返し周波数が低いため、ASEによって励起エネルギーが奪われることから、ゲインの飽和が観測されている。光−光変換効率も10%程度と低くなっている。また、発振スペクトル幅が狭いために、誘導ブリルアン散乱が誘起され、増幅器から発振器に強いレーザパルス戻ってしまうことが明らかとなった。非特許文献３では9.6kHzで動作する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザを発振器とし、２段のファイバ増幅器を用いて平均出力にして10W程度の出力を得ている。２段増幅であるため、当該文献では侠帯域透過光学フィルタを用いて、ASEを抑制している。このシステムのようにゲイン長の長い増幅器内を高ピークパルスが伝播すると自己位相変調（Self Phase Modulation :SPM）によってスペクトル幅が増大することが懸念されるが、当該文献では、SPMの最大周波数チャープが元の入力パルス（発振器）のスペクトル幅に比例することを利用し、スペクトルの拡大を軽減している。すなわち発振スペクトル幅の狭い受動Ｑスイッチマイクロチップレーザ（当該文献では縦単一モード）を発振器して用いることで、SPMを軽減した。このことは本発明の課題であるバルク非線形光学結晶を用いた出力パルスの高調波発生には有利であるが、すでに述べたように、２段増幅に加えて、侠帯域透過光学フィルタのような部品が必要となりシステムが煩雑となる。また、すでに述べたように受動Ｑスイッチを用いた発振器は高繰返し時に外部同期が取れないという点とタイミングジッタの観点から加工用レーザとしては適していない。
In the case of CASE1, as described in Patent Document 1, since the gain medium of the oscillator is a fiber, the resonator length is long, and when the mode-locked oscillator for obtaining an extremely short pulse is excluded, the pulse width is 0.1. -10nsec is difficult. Therefore, it is difficult to obtain a high peak output with only one stage amplifier.
The advantage of CASE2 is that, as described in Patent Document 2, it is possible to create a complex pulse waveform by modulating the current that drives a semiconductor laser used as an oscillator, and obtain a pulse width of 0.1-10 nsec. As described in Non-Patent Document 1, high repetition is also easy. However, since the peak output of the semiconductor laser is low, multistage amplification is necessary to obtain a peak output of 10 kW to 100 kW, and thus means for suppressing ASE (Amplified Spontaneous Emission) is required. In Patent Documents 3-5, in order to suppress ASE, it is assumed that the excitation light source is pulse-driven in synchronization with the oscillator. In addition, as described in Non-Patent Document 1, in such a system, the spectrum width of the laser pulse after amplification widens, so that harmonics are highly efficient in wavelength conversion using a bulk nonlinear optical crystal. It is difficult to get in.
CASE 3 often uses a so-called microchip laser as an oscillator that does not impair the compactness of the fiber laser system. The present invention also belongs to this category. Microchip lasers with built-in passive Q switches such as Cr: YAG can make the cavity length extremely short, and can easily obtain laser pulses of 0.1-10 nsec, as well as oscillate in a single longitudinal mode . However, when the passive Q switch is synchronized with an external clock, it is necessary to pulse drive the excitation light source that excites the bulk laser crystal of the oscillator. Therefore, it is extremely difficult to operate the oscillator in synchronization with the external clock at a high repetition rate. In addition, the pulse timing jitter is extremely large, which is not suitable as a processing laser. Passive Q-switched microchip lasers that pump a bulk laser crystal with a continuous output pump light source are often operated at about 1 kHz to 10 kHz. Non-Patent Document 2 obtains a high peak output by amplifying a laser pulse from a passive Q-switched microchip laser operating at 1 kHz by a fiber amplifier. However, because the repetition frequency is low, the excitation energy is deprived by ASE, and gain saturation is observed. The light-light conversion efficiency is also as low as about 10%. In addition, since the oscillation spectrum width is narrow, stimulated Brillouin scattering is induced, and it is clear that a strong laser pulse returns from the amplifier to the oscillator. In Non-Patent Document 3, a passive Q-switched microchip laser operating at 9.6 kHz is used as an oscillator, and an average output of about 10 W is obtained using a two-stage fiber amplifier. In this document, ASE is suppressed by using a low-band transmission optical filter because of two-stage amplification. If a high peak pulse propagates through an amplifier with a long gain length as in this system, there is a concern that the spectrum width may increase due to self phase modulation (SPM). Is proportional to the spectrum width of the original input pulse (oscillator) to reduce the spectrum expansion. That is, SPM was reduced by using a passive Q-switch microchip laser having a narrow oscillation spectrum width (vertical single mode in this document) as an oscillator. This is advantageous for generating harmonics of the output pulse using the bulk nonlinear optical crystal, which is the subject of the present invention. As described above, in addition to the two-stage amplification, such as a low-band transmission optical filter. Parts are required and the system becomes complicated. In addition, as already described, an oscillator using a passive Q switch is not suitable as a processing laser from the viewpoint that external synchronization cannot be obtained at high repetition and timing jitter.
10kHz以上の高い繰返しで100kW以上の高ピーク出力のレーザパルスを発生することができるコンパクトなファイバレーザを実現し、その出力を用いて非線形光学結晶による高調波発生が高効率で行えるようにする。そのために、パルス幅が短いレーザパルスを10kHz以上の高繰返しで発生することができ、1GHz以上の発振スペクトル幅を有する発振器とファイバ増幅器によってシステムを構築する。 A compact fiber laser capable of generating a laser pulse with a high peak output of 100 kW or higher at a high repetition rate of 10 kHz or higher will be realized, and harmonics generated by a nonlinear optical crystal can be generated with high efficiency using the output. Therefore, a laser pulse with a short pulse width can be generated at a high repetition rate of 10 kHz or more, and a system is constructed by an oscillator and a fiber amplifier having an oscillation spectrum width of 1 GHz or more.
上記課題を解決するために以下の発明を行った。発振器内部に共振器の損失を高速で切り替えることができる損失のスイッチング方法として共振器内でレーザ光の伝播方向を光学結晶の電気光学効果を用いて偏向する方法を採用した。この方法により発振器で100kHz以上の繰返しで動作を可能とし、10kHz-100kHz範囲の繰返し周波数で5nsec以下のパルス幅を得ることができる。この発振器は平均出力が100mW-1W程度と高いため、増幅器の飽和増幅を容易に達成することができるため、ASEを抑制する特別な手段を講じる必要がない。また増幅パルスのピーク出力が100kW以上になった場合でも、発振器が縦マルチモードの発振スペクトルを有しているためダブルクラッドファイバのコア内で誘導ブリルアン散乱が誘起されることはない。さらに、ファイバ増幅器はダブルクラッドファイバと連続発振の励起光源で構成されるが、ダブルクラッドファイバは励起光源に関して３dB/m以上の吸収係数を有しているものを用いる。これにより、ダブルクラッドファイバの有効ゲイン長が短くすることができる。平均出力10W以上を得るような高出力増幅過程において、縦マルチモード発振器で発生したレーザパルスのスペクトル幅がコア内の増幅過程で起こるSPMによって一層広がったとしても、ダブルクラッドファイバのゲイン長を短くすることで、高調波発生の効率が損なわれない程度にスペクトル幅の増大を抑えることができる。また、ダブルクラッドファイバのコアは偏波保持の性質を有している。これらの簡素な発振器−増幅器方式の高ピーク出力ファイバレーザを用いることによって、10W以上の平均出力、100kW以上のピーク出力を有していても、高効率な高調波発生を行うことができるレーザパルスを発生することができる。 In order to solve the above problems, the following inventions have been made. As a loss switching method capable of switching the resonator loss inside the oscillator at high speed, a method of deflecting the propagation direction of the laser beam in the resonator using the electro-optic effect of the optical crystal is adopted. With this method, the oscillator can be operated at a repetition rate of 100 kHz or more, and a pulse width of 5 nsec or less can be obtained at a repetition frequency in the range of 10 kHz to 100 kHz. Since this oscillator has an average output as high as about 100 mW-1 W, it is possible to easily achieve saturation amplification of the amplifier, so that it is not necessary to take special measures to suppress ASE. Even when the peak output of the amplified pulse is 100 kW or more, stimulated Brillouin scattering is not induced in the core of the double clad fiber because the oscillator has a longitudinal multimode oscillation spectrum. Furthermore, the fiber amplifier is composed of a double-clad fiber and a continuous-wave excitation light source, and a double-clad fiber having an absorption coefficient of 3 dB / m or more with respect to the excitation light source is used. Thereby, the effective gain length of a double clad fiber can be shortened. In a high power amplification process that obtains an average output of 10 W or more, even if the spectral width of the laser pulse generated by the longitudinal multimode oscillator is further broadened by SPM generated in the amplification process in the core, the gain length of the double clad fiber is shortened. By doing so, an increase in spectrum width can be suppressed to such an extent that the efficiency of harmonic generation is not impaired. Moreover, the core of the double clad fiber has the property of maintaining the polarization. By using these simple oscillator-amplifier type high peak output fiber lasers, laser pulses that can generate high-efficiency harmonics even with an average output of 10 W or more and a peak output of 100 kW or more Can be generated.
10kHz以上の高い繰返しで100kW以上の高ピーク出力のレーザパルスを発生することができるコンパクトなファイバレーザを実現し、その出力を用いて非線形光学結晶による高調波発生が高効率で行えるようにするために、パルス幅が短いレーザパルスを10kHz以上の高繰返しで発生することができ、1GHz以上の発振スペクトル幅を有する発振器とファイバ増幅器によってシステムを構築した。発振器内部に共振器の損失をスイッチングする方法として共振器内でレーザ光の伝播方向を光学結晶の電気光学効果を用いて偏向することにより短パルスを発生し、これを励起光源に関して３dB/m以上の吸収係数を有し、偏波保持の性質を有するダブルクラッドファイバに導くことにより、高繰り返し、高エネルギー、短パルス、偏波保持の性能を有するファイバ増幅出力を得た。 To realize a compact fiber laser capable of generating a laser pulse with a high peak output of 100 kW or higher at a high repetition rate of 10 kHz or higher, and to use the output to generate harmonics with a nonlinear optical crystal with high efficiency. In addition, a laser pulse with a short pulse width can be generated at a high repetition rate of 10 kHz or more, and a system was constructed with an oscillator and a fiber amplifier having an oscillation spectrum width of 1 GHz or more. As a method of switching the loss of the resonator inside the oscillator, a short pulse is generated by deflecting the propagation direction of the laser beam in the resonator using the electro-optic effect of the optical crystal, and this is 3 dB / m or more with respect to the excitation light source. A fiber amplification output having a high repetition rate, high energy, short pulse, and polarization maintaining performance was obtained by guiding it to a double-clad fiber having a polarization maintaining property.
以下に本発明に関する実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施形態１の態様を示す図である。図２は本発明の実施形態2の態様を示す図である。図３は発明した高ピーク出力ファイバレーザの平均出力のグラフである。図４は発明した高ピーク出力ファイバレーザで発生したレーザパルスの時間波形である。図５は本発明の効果を示すグラフである。
[実施形態１]
図１は本発明の実施形態１の態様を示す図である。発振器8で発生するシード光パルスはシード光リレーレンズ系6によって光コネクタ３に到達する。シード光リレーレンズ系６の中には光アイソレータ７があり、ゲインファイバ５からの戻り光が発振器８に戻るのを防いでいる。一方励起光は励起光源９で発生し、励起光導光用ファイバ１によってファイバ型コンバイナ４に導かれる。励起光源９には連続発振出力を得ることができる半導体レーザが、一つ以上含まれている。複数の励起光源９を用いる場合は、それと同数の励起光導光用ファイバ１を用いて、コンバイナ４に接続する。増幅光出力用ファイバ２と励起光導光用ファイバ１はファイバ型コンバイナ４で合流し、溶融接続部１０にてゲインファイバ５に接続される。ゲインファイバ５はダブルクラッド構造をしており、コアには希土類ドーパントがドープされている。シード光パルスはゲインファイバ５及びファイバ型コンバイナ４を伝播し、増幅光出力用ファイバ２のコアに接続される。励起光は励起光導光用ファイバ１及びファイバ型コンバイナ４を伝播しゲインファイバ５の内部クラッドに接続される。ゲインファイバ５の内部クラッドに接続された励起光はゲインファイバ５のコアに徐々に吸収される。励起光を吸収したゲインファイバ５のコアは活性化し、シード光パルスを増幅する。増幅されたパルス出力は集光レンズ１１によって非線形光学結晶１２へ導かれ、高調波発生が行われる。発生した高調波パルスと未変換の増幅パルス出力は高調波分離ミラー１３によって分離される。
[実施形態２]
図２は本発明の実施形態２の態様を示す図である。発振器8で発生するシード光パルスはシード光リレーレンズ系6によって光コネクタ３に到達する。シード光リレーレンズ系６の中には光アイソレータ７があり、ゲインファイバ５からの戻り光が発振器８に戻るのを防いでいる。一方励起光は励起光源９で発生し、励起光導光用ファイバ１によって光コネクタ３に導かれる。励起光源９には連続発振出力を得ることができる半導体レーザが、一つ以上含まれている。ゲインファイバ５はダブルクラッド構造をしており、コアには希土類ドーパントがドープされている。シード光パルスはゲインファイバ５のコアに接続される。励起光は励起光リレー光学系１４によってゲインファイバの内部クラッドに接続される。ゲインファイバ５の内部クラッドに接続された励起光はゲインファイバ５のコアに徐々に吸収される。励起光を吸収したゲインファイバ５のコアは活性化し、シード光パルスを増幅する。増幅されたパルス出力はダイクロイックミラー１５によって取り出される。その後実施形態１と同様の手法により、高調波発生が行われる。
Embodiments relating to the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a diagram showing aspects of Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing aspects of Embodiment 2 of the present invention. FIG. 3 is a graph of the average power of the invented high peak power fiber laser. FIG. 4 is a time waveform of a laser pulse generated by the invented high peak output fiber laser. FIG. 5 is a graph showing the effect of the present invention.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing aspects of Embodiment 1 of the present invention. The seed light pulse generated by the oscillator 8 reaches the optical connector 3 by the seed light relay lens system 6. In the seed light relay lens system 6, there is an optical isolator 7 that prevents the return light from the gain fiber 5 from returning to the oscillator 8. On the other hand, the excitation light is generated by the excitation light source 9 and guided to the fiber type combiner 4 by the excitation light guiding fiber 1. The excitation light source 9 includes one or more semiconductor lasers that can obtain a continuous oscillation output. When a plurality of excitation light sources 9 are used, the same number of excitation light guiding fibers 1 are connected to the combiner 4. The amplified light output fiber 2 and the excitation light guiding fiber 1 are joined together by a fiber type combiner 4 and connected to the gain fiber 5 at the fusion connection part 10. The gain fiber 5 has a double clad structure, and the core is doped with a rare earth dopant. The seed light pulse propagates through the gain fiber 5 and the fiber type combiner 4 and is connected to the core of the amplified light output fiber 2. The excitation light propagates through the excitation light guiding fiber 1 and the fiber type combiner 4 and is connected to the inner cladding of the gain fiber 5. The excitation light connected to the inner cladding of the gain fiber 5 is gradually absorbed by the core of the gain fiber 5. The core of the gain fiber 5 that has absorbed the excitation light is activated, and a seed light pulse is amplified. The amplified pulse output is guided to the nonlinear optical crystal 12 by the condensing lens 11 to generate harmonics. The generated harmonic pulse and the unconverted amplified pulse output are separated by the harmonic separation mirror 13.
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a diagram showing an aspect of the second embodiment of the present invention. The seed light pulse generated by the oscillator 8 reaches the optical connector 3 by the seed light relay lens system 6. In the seed light relay lens system 6, there is an optical isolator 7 that prevents the return light from the gain fiber 5 from returning to the oscillator 8. On the other hand, the excitation light is generated by the excitation light source 9 and guided to the optical connector 3 by the excitation light guiding fiber 1. The excitation light source 9 includes one or more semiconductor lasers that can obtain a continuous oscillation output. The gain fiber 5 has a double clad structure, and the core is doped with a rare earth dopant. The seed light pulse is connected to the core of the gain fiber 5. The excitation light is connected to the inner cladding of the gain fiber by the excitation light relay optical system 14. The excitation light connected to the inner cladding of the gain fiber 5 is gradually absorbed by the core of the gain fiber 5. The core of the gain fiber 5 that has absorbed the excitation light is activated, and a seed light pulse is amplified. The amplified pulse output is taken out by the dichroic mirror 15. Thereafter, harmonics are generated by the same method as in the first embodiment.
発明の効果を示すために行った試験結果について示す。
発振器として平均出力約1000mW、波長1064nm、繰返し周波数50kHzで発振するマイクロチップレーザを構築した。マイクロチップレーザ内にはレーザ媒質としてNd:YVO4を用い、能動的Qスイッチとして光学結晶の電気光学効果を用いた偏向器を用いた。50kHzの繰返し周波数で2nsec以下のレーザパルスを得ることができた。この発振器は縦マルチモード発振が実現できるほどに長く、10nsec以下のパルス幅を実現できるほどに短くなくてはならない。縦マルチモードとすることで、発振スペクトル幅を1GHz以上にすることができるため、非特許文献２で問題となった増幅時の誘導ブリルアン散乱を抑制することができる。共振器長が5mm以上になると、Nd:YVO4の利得スペクトル分布内に10本前後の縦モードが存在し、確実に縦マルチモードを実現することができる。また、10kHz−100kHzの範囲で10nsec以下のパルス幅を得るためには共振器長を5cm以下にする必要がある。パルス幅を10nsec以下にすることで、増幅後のピーク出力を高くすることができる。
ゲインファイバには基本モード直径が20-30μm程度になる大コア径のイッテルビウムドープダブルクラッドファイバを用いた。このファイバを用いた1段の増幅器により、励起光出力が18.4Wのとき、増幅平均出力10Wを得た（図３）。このときパルス幅は半値全幅で1.4nsecであり（図４）、増幅出力パルスのピーク出力は140kWに達している。
このようなファイバ増幅器からの出力パルスを用いて高調波発生を行うときに重要なことは、出力パルスのスペクトル幅をできるだけ狭くするということである。ピーク出力が100ｋWを超えるようなレーザパルスはファイバ増幅器内で起こるSPMの影響を受ける。この効果の影響を小さくすることは出力パルスのスペクトル幅を狭くするためには有効である。この効果を示すために二つゲインファイバについてLBO（LiB3O5）結晶を用いた第2高調波発生試験を行った。二つのゲインファイバは波長976nmの励起光に関して、異なる吸収係数を有している。ゲインファイバ１は吸収係数が約6dB/mであり、長さは4mである。ゲインファイバ２の吸収係数は9dB/mであり、長さは2.2mである。吸収係数と長さから定まる励起光に対する有効ファイバ長はゲインファイバ１とゲインファイバ２で、それぞれ0.78mと0.48mになる。図５に第2高調波出力をゲインファイバ別に示している。ゲインファイバ１の増幅パルスのスペクトル広がりがゲインファイバ１の場合より狭いためにゲインファイバ２がより高い変換効率を示している。このことは、より大きな吸収係数を有するゲインファイバ２のゲイン長はゲインファイバ１より短いものとなり、コア内で起こるSPMなどによるスペクトル幅を増大させる非線形光学効果が軽減された結果である。吸収係数はゲインファイバの設計と励起光源の波長に依存する。イッテルビウムがドープされた波長の場合、910nm付近と976nm付近に吸収のピークが現れる。ダブルクラッドファイバのインナークラッドの形状やイッテルビウムのドープ濃度、吸収波長等を選択することで3dB/m以上の吸収係数を得ることができる。このような高い吸収係数のゲインファイバを選んだとしても多段増幅ではSPMの影響は大きくなるため、1段の増幅器の利点はこの点からも明白である。
It shows about the test result done in order to show the effect of invention.
A microchip laser that oscillates at an average output of about 1000 mW, a wavelength of 1064 nm, and a repetition frequency of 50 kHz was constructed as an oscillator. In the microchip laser, Nd: YVO4 was used as the laser medium, and a deflector using the electro-optic effect of the optical crystal was used as the active Q switch. A laser pulse of 2nsec or less was obtained at a repetition frequency of 50kHz. This oscillator must be long enough to achieve longitudinal multimode oscillation and short enough to achieve a pulse width of 10 nsec or less. By using the longitudinal multimode, the oscillation spectrum width can be set to 1 GHz or more, so that stimulated Brillouin scattering during amplification, which is a problem in Non-Patent Document 2, can be suppressed. When the resonator length is 5 mm or more, there are about 10 longitudinal modes in the gain spectrum distribution of Nd: YVO4, and the longitudinal multimode can be realized with certainty. Further, in order to obtain a pulse width of 10 nsec or less in the range of 10 kHz to 100 kHz, the resonator length needs to be 5 cm or less. By setting the pulse width to 10 nsec or less, the peak output after amplification can be increased.
As the gain fiber, a ytterbium-doped double clad fiber having a large core diameter with a fundamental mode diameter of about 20-30 μm was used. An amplification average output of 10 W was obtained with a one-stage amplifier using this fiber when the pumping light output was 18.4 W (FIG. 3). At this time, the full width at half maximum is 1.4 nsec (FIG. 4), and the peak output of the amplified output pulse reaches 140 kW.
What is important when performing harmonic generation using the output pulse from such a fiber amplifier is to make the spectral width of the output pulse as narrow as possible. Laser pulses whose peak power exceeds 100 kW are affected by SPM occurring in the fiber amplifier. Reducing the effect of this effect is effective for narrowing the spectrum width of the output pulse. In order to show this effect, a second-harmonic generation test using LBO (LiB 3 O 5 ) crystals was performed on the two gain fibers. The two gain fibers have different absorption coefficients for the excitation light with a wavelength of 976 nm. The gain fiber 1 has an absorption coefficient of about 6 dB / m and a length of 4 m. The gain fiber 2 has an absorption coefficient of 9 dB / m and a length of 2.2 m. The effective fiber lengths for the pumping light determined from the absorption coefficient and the length are 0.78 m and 0.48 m for the gain fiber 1 and the gain fiber 2, respectively. FIG. 5 shows the second harmonic output for each gain fiber. Since the spectrum spread of the amplification pulse of the gain fiber 1 is narrower than that of the gain fiber 1, the gain fiber 2 exhibits higher conversion efficiency. This is a result that the gain length of the gain fiber 2 having a larger absorption coefficient is shorter than that of the gain fiber 1, and the nonlinear optical effect that increases the spectrum width due to SPM or the like occurring in the core is reduced. The absorption coefficient depends on the design of the gain fiber and the wavelength of the excitation light source. In the case of a wavelength doped with ytterbium, absorption peaks appear around 910 nm and 976 nm. An absorption coefficient of 3 dB / m or more can be obtained by selecting the shape of the inner clad of the double clad fiber, the ytterbium doping concentration, the absorption wavelength, and the like. Even if a gain fiber with such a high absorption coefficient is selected, the effect of SPM is large in multi-stage amplification, and the advantage of a single-stage amplifier is clear from this point.
１ 励起光導光用ファイバ
２ 増幅光出力用ファイバ
３ 光コネクタ
４ ファイバ型コンバイナ
５ ゲインファイバ
６ シード光リレーレンズ系
７ 光アイソレータ
８ 発振器
９ 励起光源
１０ 溶融接続部
１１ 集光レンズ
１２ 非線形光学結晶
１３ 高調波分離ミラー
１４ 励起光リレーレンズ系
１５ ダイクロイックミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation light guide fiber 2 Amplified light output fiber 3 Optical connector 4 Fiber type combiner 5 Gain fiber 6 Seed light relay lens system 7 Optical isolator 8 Oscillator 9 Excitation light source 10 Fusion connection part 11 Condensing lens 12 Nonlinear optical crystal 13 Harmonic Wave separation mirror 14 Excitation light relay lens system 15 Dichroic mirror
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|---|---|---|---|---|
| JP2010232650A (en) * | 2009-03-04 | 2010-10-14 | Omron Corp | Laser light source device, laser processing device, control device for laser light source device, and control method for laser light source device |
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