激光振蕩器的制造方法
【專利摘要】一種激光振蕩器，在使從激光振蕩器射出的激光通過光纖的情況下，提高截面的光強(qiáng)度分布的均勻性。籽晶LD（121）利用具有由全反射面和部分反射面構(gòu)成的內(nèi)部諧振器的單模的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成。FBG（122）形成有反射波段不同的多個(gè)衍射光柵，由籽晶LD（121）的全反射面和各衍射光柵構(gòu)成多個(gè)外部振蕩器。光纖放大器（123）將從FBG（122）射出的激光放大，放大后的激光經(jīng)由透鏡系統(tǒng)（112）被導(dǎo)入方形光纖（112）中。本發(fā)明能夠適用于例如光纖激光器。
【專利說明】激光振蕩器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光振蕩器，特別是涉及適用于通過使激光通過光纖來提高激光的截面的光強(qiáng)度分布的均勻性的情況的激光振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，正在開發(fā)用于得到截面光強(qiáng)度分布的均勻性高的激光(下稱平頂光束)的技術(shù)。例如，提出了通過使激光通過光纖得到平頂光束(例如，參照專利文獻(xiàn)1、2)。
[0003]另外，目前，提出了利用受激拉曼散射及受激布里淵散射，由任意波長(zhǎng)的激光得到在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)擴(kuò)展的激光(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。具體而言，在專利文獻(xiàn)3所記載的發(fā)明中，從Nd:YAG激光器將波長(zhǎng)λ I的激光導(dǎo)入光纖，通過由光纖布拉格光柵(FBG =FiberBragg Grating)反射激光，從而激活受激拉曼散射。另外，通過在Nd:YAG激光器和FBG之間設(shè)置對(duì)包括波長(zhǎng)λ 2在內(nèi)的波長(zhǎng)范圍Λ λ I的激光進(jìn)行反射的一對(duì)啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，從而通過CFBG使波長(zhǎng)λ 2的激光振蕩，進(jìn)而通過受激布里淵散射使多波長(zhǎng)的激光振蕩。其結(jié)果，由波長(zhǎng)λ I的激光得到波長(zhǎng)范圍Λ λ I的激光。
[0004]專利文獻(xiàn)1:日本特開2009 - 168914號(hào)公報(bào)
[0005]專利文獻(xiàn)2:日本特開2011 - 189389號(hào)公報(bào)
[0006]專利文獻(xiàn)3:日本特開2002 - 353539號(hào)公報(bào)
[0007]在此，參照?qǐng)D1?圖3，對(duì)使從光纖激光器射出的激光通過光纖來得到平頂光束的情況進(jìn)行研究。
[0008]圖1的激光振蕩器11由包括籽晶LD (激光二極管)21及光纖放大器22的光纖激光器構(gòu)成。而且，從激光振蕩器11射出的激光經(jīng)由透鏡系統(tǒng)12被導(dǎo)入芯的截面為矩形的方形光纖13,通過方形光纖13之后射出。
[0009]圖2示意性表示從方形光纖13射出的激光的照射面的光束輪廓的測(cè)量結(jié)果。如該例所示，在照射面上產(chǎn)生多個(gè)斑點(diǎn)，光強(qiáng)度分布產(chǎn)生偏差。這是因?yàn)?從激光振蕩器11射出的激光的光譜寬度窄，相干性高，從而容易發(fā)生激光的干擾。
[0010]例如，圖3表示通過方形光纖13的激光的軌跡的例子。如圖內(nèi)的箭頭所示，若通過方形光纖13內(nèi)的不同的軌跡后的激光照射到照射面的相同位置，則各激光的波長(zhǎng)相同，因此發(fā)生干擾。而且，從方形光纖13射出的相同波長(zhǎng)的激光在照射面上以不規(guī)則的相位關(guān)系相互干擾，產(chǎn)生不規(guī)則的干擾圖案，從而斑點(diǎn)增加，光強(qiáng)度分布產(chǎn)生偏差。其結(jié)果產(chǎn)生激光加工的不均，加工質(zhì)量降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]于是，本發(fā)明在使從激光振蕩器射出的激光通過光纖的情況下提高截面的光強(qiáng)度分布的均勻性。
[0012]本發(fā)明第一方面的激光振蕩器具備:單模的半導(dǎo)體激光器，其具有由全反射面和部分反射面構(gòu)成的第一光諧振器；光纖布拉格光柵，其入射有從半導(dǎo)體激光器的部分反射面射出的光，并且，在與半導(dǎo)體激光器的全反射面之間形成有構(gòu)成第二光諧振器的衍射光柵；光纖放大器，其放大從光纖布拉格光柵射出的激光。
[0013]在本發(fā)明第一方面的激光振蕩器中，利用第一光諧振器及第二光諧振器，使不同波長(zhǎng)的激光振蕩之后，激光被放大。
[0014]由此，能夠增大從激光振蕩器射出的激光的光譜寬度。另外，在使從激光振蕩器射出的激光通過光纖的情況下，能夠提高截面的光強(qiáng)度分布的均勻性。
[0015]該光纖布拉格光柵中可以形成反射波段不同的多個(gè)衍射光柵。
[0016]由此，能夠通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大從激光振蕩器射出的激光的光譜寬度。
[0017]可以將這多個(gè)衍射光柵的各反射波段與相鄰的反射波段的局部重合，使多個(gè)衍射光柵的反射波段重合的反射波段包括半導(dǎo)體激光器的峰值波長(zhǎng)。
[0018]可以使該衍射光柵的反射波段比半導(dǎo)體激光器的光譜寬度寬，并包括半導(dǎo)體激光器的峰值波長(zhǎng)。
[0019]可以使從該光纖放大器射出的激光通過光纖之后照射加工對(duì)象物。
[0020]由此，能夠使截面的光強(qiáng)度分布的均勻性高的激光照射加工對(duì)象物，提高加工質(zhì)量。
[0021]本發(fā)明第二方面的激光振蕩器具備:單模的半導(dǎo)體激光器，其具有由全反射面和部分反射面構(gòu)成的第一光諧振器；光纖布拉格光柵，其入射有從半導(dǎo)體激光器的部分反射面射出的光，并且，在與半導(dǎo)體激光器的全反射面之間形成有構(gòu)成第二光諧振器的衍射光柵，射出從光纖布拉格光柵射出的激光。
[0022]在本發(fā)明第二方面的激光振蕩器中，利用第一光諧振器及第二光諧振器，使不同波長(zhǎng)的激光振蕩之后射出。
[0023]由此，可以增大從激光振蕩器射出的激光的光譜寬度。另外，在使從激光振蕩器射出的激光通過光纖的情況下，能夠提高截面的光強(qiáng)度分布的均勻性。
[0024]根據(jù)本發(fā)明第一方面或第二方面，能夠增大從激光振蕩器射出的激光的光譜寬度。另外，根據(jù)本發(fā)明的第一方面或第二方面，在使從激光振蕩器射出的激光通過光纖的情況下，能夠提高截面的光強(qiáng)度分布的均勻性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是表示現(xiàn)有激光加工裝置的一例的圖；
[0026]圖2是表示從現(xiàn)有激光加工裝置射出的激光的光束輪廓的例子的圖；
[0027]圖3是表示通過現(xiàn)有激光加工裝置的方形光纖的激光的軌跡的例子的圖；
[0028]圖4是表示適用于本發(fā)明的激光加工裝置的一實(shí)施方式的圖；
[0029]圖5是表示籽晶LD的構(gòu)成例的圖；
[0030]圖6是表示FBG的構(gòu)成例的圖；
[0031 ] 圖7是表示FBG的反射特性的例子的圖表；
[0032]圖8是用于說明應(yīng)用本發(fā)明的激光振蕩器的激光振蕩原理的圖；
[0033]圖9是表示從應(yīng)用了本發(fā)明的激光振蕩器射出的激光的光譜的例子的圖；
[0034]圖10是表示從應(yīng)用了本發(fā)明的激光加工裝置射出的激光的光束輪廓的例子的圖；[0035]圖11是表示通過應(yīng)用了本發(fā)明的激光加工裝置的方形光纖的激光的軌跡的例子的圖。
[0036]符號(hào)說明
[0037]101激光加工裝置
[0038]111光纖激光器
[0039]112透鏡系統(tǒng)
[0040]113方形光纖
[0041]121 籽晶 LD
[0042]122 FBG
[0043]123光纖放大器
[0044]20la、20Ib 電極
[0045]202 P型半導(dǎo)體
[0046]203活性層
[0047]204 N型半導(dǎo)體
[0048]205全反射面
[0049]206部分反射面
[0050]251 芯
[0051]252 包層
[0052]253a?253C衍射光柵
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面，說明用于實(shí)施本發(fā)明的方式(下面，稱為實(shí)施方式)。此外，說明按照以下順序進(jìn)行。
[0054]1.實(shí)施方式
[0055]2.變形例
[0056](1.實(shí)施方式)
[0057][激光加工裝置的構(gòu)成例]
[0058]圖4表示應(yīng)用了本發(fā)明的激光加工裝置101的一實(shí)施方式。激光加工裝置101用于加工例如薄膜太陽能電池面板或有機(jī)EL等。另外，激光加工裝置101構(gòu)成包括激光振蕩器111、透鏡系統(tǒng)112及方形光纖113。
[0059]激光振蕩器111由通過光纖放大器123進(jìn)行激光的放大的光纖激光器構(gòu)成，并包括籽晶LD (激光二極管)121、光纖布拉格光柵(FBG) 122及光纖放大器123。
[0060]籽晶LD121由例如標(biāo)準(zhǔn)的單模半的導(dǎo)體激光器構(gòu)成，使規(guī)定波長(zhǎng)的激光振蕩并射出。此外，下面，以籽晶(seed) LD121使峰值波長(zhǎng)為1062nm的激光振蕩的情況為例進(jìn)行說明。
[0061]圖5表示籽晶LD121的構(gòu)成例。籽晶LD121具有如下結(jié)構(gòu):在+側(cè)電極201a和一側(cè)電極201b之間層疊有P型半導(dǎo)體202、活性層203及N型半導(dǎo)體204。另外，在與籽晶LD121的各層垂直的方向的側(cè)面，即相互對(duì)向的側(cè)面的一方形成有全反射面205，在另一方形成有部分反射面206。通過該全反射面205和部分反射面206構(gòu)成光諧振器(下稱內(nèi)部諧振器)。
[0062]返回到圖4，F(xiàn)BG122配置于籽晶LD121的部分反射面206側(cè)，并入射有從部分反射面206射出的光。FBG122通過例如熔接與籽晶LD121連接。
[0063]圖6表示FBG122的構(gòu)成例。FBG122以在由芯251和包層252構(gòu)成的光纖的芯251中沿光軸方向排列中心波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))不同的三個(gè)衍射光柵253a?253c的方式形成。
[0064]圖7表示衍射光柵253a?253c及FBG122整體的反射特性的例子。具體而言，圖7上側(cè)左端的圖表表不衍射光柵253a的反射特性,正中央的圖表表不衍射光柵253b的反射特性，右端的圖表表示衍射光柵253c的反射特性。另外，圖7下側(cè)的圖表表示FBG122整體的反射椅性。
[0065]衍射光柵253a?253c的反射波段的帶寬比標(biāo)準(zhǔn)的FBG的衍射光柵的反射波段寬，另外，比籽晶LD121的光譜寬度寬。具體而言，衍射光柵253a的反射波段為以1058nm為中心的寬約4nm的波段。衍射光柵253b的反射波段為與籽晶LD121的峰值波長(zhǎng)相同以1062nm為中心的寬約4nm的波段。衍射光柵253c的反射波段為以1066nm為中心的寬約4nm的波段。
[0066]另外，各反射波段與相鄰的反射波段局部重合。具體而言，衍射光柵253a的反射波段的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)與衍射光柵253b的反射波段的短波長(zhǎng)側(cè)局部重合，衍射光柵253b的反射波段的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)與衍射光柵253c的反射波段的短波長(zhǎng)側(cè)局部重合。而且，使衍射光柵253a?253c的反射波段重合的FBG122整體的反射波段為以1062nm為中心的寬約8nm的波段。
[0067]這樣，通過形成反射波段不同的多個(gè)衍射光柵253a?253c，能夠容易地得到反射波段寬的FBG122。
[0068]如下述，由籽晶LD121的全反射面205和FBG122的衍射光柵253a?253c構(gòu)成三個(gè)光諧振器(下稱外部諧振器)，在各外部諧振器中，波長(zhǎng)與籽晶LD121不同的激光進(jìn)行振蕩。而且，通過籽晶LD121單體振蕩的激光及通過各外部諧振器振蕩的激光從FBG122射出，并入射到光纖放大器123中。
[0069]此外，下面，在無需分別區(qū)別衍射光柵253a?253c的情況下，只稱為衍射光柵253。
[0070]返回到圖4，光纖放大器123是以光纖為介質(zhì)的放大器，將從FBG122射出的激光放大之后射出。從光纖放大器123射出的激光通過透鏡系統(tǒng)112導(dǎo)入到方形光纖113中。
[0071]方形光纖113的芯的截面為矩形，將入射的激光的截面成形為矩形后射出。此外，如下述，從方形光纖113射出的激光變成截面的光強(qiáng)度分布的均勻性高的平頂光束。
[0072]從方形光纖113射出的激光經(jīng)由未圖示的加工光學(xué)系統(tǒng)對(duì)例如薄膜太陽能電池面板或有機(jī)EL等加工對(duì)象物進(jìn)行照射，從而進(jìn)行激光加工。
[0073][從方形光纖113射出的激光變成平頂光束的原理]
[0074]接著，參照?qǐng)D8?圖11，說明從方形光纖113射出的激光變成平頂光束的原理。
[0075]如圖8所示，若在籽晶LD21的電極201a和電極201b之間施加電壓，則在活性層203產(chǎn)生自發(fā)輻射光。該自發(fā)輻射光的波長(zhǎng)特性基本遵循高斯分布，具有以規(guī)定波長(zhǎng)(例如，1062nm)為中心的較寬的帶寬(例如，200nm左右)。而且，在活性層203中，引起將該自發(fā)輻射光作為籽晶光的受激輻射，產(chǎn)生受激輻射光。另外，自發(fā)輻射光及受激輻射光在由全反射面205和部分反射面206構(gòu)成的內(nèi)部諧振器之間往復(fù)，引起受激輻射。此時(shí)，在內(nèi)部諧振器中，“內(nèi)部諧振器的諧振器長(zhǎng)=波長(zhǎng)的整數(shù)倍”的波長(zhǎng)的光發(fā)生諧振，從而被放大。這樣，規(guī)定波長(zhǎng)(例如，1062nm)的激光發(fā)生振蕩。而且，振蕩后的激光以及包括自發(fā)輻射光及受激輻射光的一部分的光從部分反射面206射出。
[0076]另外，在由部分反射面206和FBG122的各衍射光柵253構(gòu)成的各外部諧振器中，也與內(nèi)部諧振器相同，規(guī)定波長(zhǎng)的激光發(fā)生振蕩。而且，在內(nèi)部諧振器(籽晶LD121單體)及外部諧振器中振蕩后的激光從FBG122向光纖放大器123射出。
[0077]在此，在各外部諧振器中，處于各衍射光柵253的反射波段內(nèi)，且“各外部諧振器的諧振器長(zhǎng)=波長(zhǎng)的整數(shù)倍”的波長(zhǎng)的激光發(fā)生振蕩。
[0078]這樣，在籽晶LD21 (內(nèi)部諧振器)及各外部諧振器中，籽晶LD21的峰值波長(zhǎng)及該峰值波長(zhǎng)附近的多個(gè)波長(zhǎng)的激光發(fā)生振蕩。由此，光譜寬度比從籽晶LD121單體射出的激光的光譜寬度寬的激光從激光振蕩器111射出。
[0079]圖9是從激光振蕩器111射出的激光的光譜的一例。如該例所示，從激光振蕩器111射出的激光除了作為籽晶LD121的峰值波長(zhǎng)的1062nm以外，還在FBG122的各衍射光柵253的中心波長(zhǎng)附近出現(xiàn)峰值，同時(shí)光譜寬度增寬。
[0080]圖10示意性表示從方形光纖113射出的激光的照射面的光束輪廓的測(cè)量結(jié)果。與上述圖2的例子相比，斑點(diǎn)減少，光強(qiáng)度分布大致均勻。這是因?yàn)?與從現(xiàn)有激光振蕩器11(圖1)射出的激光相比，從激光振蕩器111射出的激光的光譜寬度寬，相干性小，從而不易發(fā)生激光的干擾。
[0081]例如，圖11與圖1相同表示從方形光纖113射出的激光的軌跡的例子。此外，各箭頭的線條種類的差異表示波長(zhǎng)的差異。如該圖所示，即使不同波長(zhǎng)的激光照射到照射面的相同位置，各激光也不會(huì)相互干擾。
[0082]而且，激光的光譜寬度增寬，相干性降低，從而通過方形光纖113內(nèi)不同軌跡后的相同波長(zhǎng)的激光照射到照射面的相同位置，發(fā)生干擾的可能性降低。由此，照射面中激光的斑點(diǎn)減少，光強(qiáng)度分布的均勻性提高。其結(jié)果激光加工的不均減少，加工質(zhì)量提高。
[0083]另外，激光振蕩器111能夠通過僅將FBG122與籽晶LD121連接的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此，能夠抑制各種調(diào)整作業(yè)、裝置大型化、成本上升等。
[0084]另外，激光加工裝置101使用由光纖激光器構(gòu)成的激光振蕩器111，因此，與使用其它固體激光器的情況相比，能夠容易地獨(dú)立調(diào)整激光的重復(fù)頻率、脈寬、輸出強(qiáng)度等。
[0085](2.變形例)
[0086]下面，說明上述本發(fā)明的實(shí)施方式的變形例。
[0087]例如，F(xiàn)BG122中形成的衍射光柵253的數(shù)量并不限于三個(gè)，可設(shè)定為一以上的任意數(shù)。
[0088]另外，衍射光柵253的反射特性并不限于圖7所示的例子，例如，能夠根據(jù)籽晶LD121的波長(zhǎng)特性等改變反射波段的中心波長(zhǎng)或帶寬等。
[0089]另外，本發(fā)明還可以適用于使用芯的截面為矩形以外的形狀(例如，圓形)的光纖的情況。
[0090]另外，例如，也可以不通過熔接等將籽晶LD121與FBG122物理連接，而經(jīng)由透鏡等進(jìn)行光學(xué)連接。[0091]另外，例如，在通過籽晶LD121及FBG122得到加工所需強(qiáng)度的激光的情況下，也可以不設(shè)置光纖放大器123。
[0092]另外，本發(fā)明中，代替FBG122，可以使用能夠在與籽晶LD121的全反射面之間構(gòu)成外部諧振器的光學(xué)零件。
[0093]另外，本技術(shù)的實(shí)施方式不限于上述實(shí)施方式，在不脫離本技術(shù)的主旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變更。
【權(quán)利要求】
1.一種激光振蕩器,其特征在于,具備: 單模的半導(dǎo)體激光器，其具有由全反射面和部分反射面構(gòu)成的第一光諧振器； 光纖布拉格光柵，其入射有從所述半導(dǎo)體激光器的所述部分反射面射出的光，并且，在與所述半導(dǎo)體激光器的所述全反射面之間形成有構(gòu)成第二光諧振器的衍射光柵； 光纖放大器，其放大從所述光纖布拉格光柵射出的激光。
2.如權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于， 在所述光纖布拉格光柵形成有反射波段不同的多個(gè)衍射光柵。
3.如權(quán)利要求2所述的激光振蕩器，其特征在于， 多個(gè)所述衍射光柵的各反射波段與相鄰的反射波段局部重合，使多個(gè)所述衍射光柵的反射波段重合的反射波段包括所述半導(dǎo)體激光器的峰值波長(zhǎng)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于， 所述衍射光柵的反射波段比所述半導(dǎo)體激光器的光譜寬度寬，并包括所述半導(dǎo)體激光器的峰值波長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于， 從所述光纖放大器射出的激光通過光纖之后照射加工對(duì)象物。
6.—種激光振蕩器,其特征在于,具備: 單模的半導(dǎo)體激光器，其具有由全反射面和部分反射面構(gòu)成的第一光諧振器； 光纖布拉格光柵，其入射有從所述半導(dǎo)體激光器的所述部分反射面射出的光，并且，在與所述半導(dǎo)體激光器的所述全反射面之間形成有構(gòu)成第二光諧振器的衍射光柵， 射出從所述光纖布拉格光柵射出的激光。
【文檔編號(hào)】H01S3/13GK103928827SQ201310738186
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月15日
【發(fā)明者】吉岡昌男, 戶川拓哉 申請(qǐng)人:歐姆龍株式會(huì)社