JP2013115147A - パルスファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも励起レーザ電流制御回路の遅延時間および時定数に起因する光パルスのオーバーシュートを抑えて、入力パルス波形に対応した光パルスを出力すること。
【解決手段】入力パルス波形に対応した励起レーザ電流ＳＣを励起レーザ４に入力し、励起光をファイバレーザ共振器５に入力して光パルスＳＤを増幅出力するパルスファイバレーザにおいて、励起レーザ４に励起レーザ電流ＳＣを供給するＡＣＣ回路３と、光パルスＳＤの強度を検出する出力光検出器７と、入力パルス波形が入力されてから光パルスが出力開始されるまでの遅延時間（ｔ１＋ｔ２）に対応した所定の期間Ｒ１内は、励起レーザ４に所定の励起レーザ電流を供給するフィードフォワード制御を行うとともに、前記所定の期間が経過した後は、光パルスＳＤの強度に基づいて励起レーザ電流ＳＣを調整して光パルスの強度が目標値となるようにフィードバック制御を行う制御部２と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力パルス波形に対応した励起レーザ電流を励起レーザに入力し、該励起レーザからの励起光をファイバレーザ共振器に入力し、該ファイバレーザ共振器から前記入力パルス波形に対応した光パルスを増幅出力するパルスファイバレーザに関するものである。

従来から、はんだ付けなどの金属加工やマーキング、ディスプレイ光源、各種分析装置用光源としてパルスファイバレーザが用いられている。このパルスファイバレーザは、入力パルス波形に対応した励起レーザ電流を励起レーザに入力し、該励起レーザからの励起光をファイバレーザ共振器に入力し、該ファイバレーザ共振器から前記入力パルス波形に対応した光パルスを増幅出力するものである。

ここで、パルスファイバレーザは、急峻な励起レーザ光入力によって、反転分布や誘導放出が急激に増加することから、ファイバレーザ共振器から出力する光パルスは立ち上がり時にオーバーシュートが発生していた。そこで、特許文献１では、ファイバレーザ共振器からの出力光がレーザ加工に影響しない程度の前置レベルまで立ち上げた後に、所望の出力レベルまで立ち上がるように、ファイバレーザ共振器からの出力光をフィードバック制御している。

特開２００９−２９７７７７号公報

しかしながら、上述した特許文献１によるファイバレーザ共振器からの出力光のフィードバック制御は、励起レーザ電流に対するファイバレーザ共振器内の反転分布や誘導放出に起因する増幅制御に対応するのみで、入力パルスに対する励起レーザ電流制御回路の遅延時間や時定数などを考慮していないため、励起レーザ電流制御回路の制御性能によっては、出力光がオーバーシュートしてしまう場合があった。特に、立ち上がり時間が数十μ秒程度の光パルス出力を行うパルスファイバレーザでは、オーバーシュートが発生してしまう場合が多かった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、少なくとも励起レーザ電流制御回路の遅延時間や時定数に起因する出力パルスのオーバーシュートを抑えて、入力パルス波形に対応した光パルスを出力することができるパルスファイバレーザを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるパルスファイバレーザは、入力パルス波形に対応した励起レーザ電流を励起レーザに入力し、該励起レーザからの励起光をファイバレーザ共振器に入力し、該ファイバレーザ共振器から前記入力パルス波形に対応した光パルスを増幅出力するパルスファイバレーザにおいて、前記励起レーザに前記励起レーザ電流を供給する電流供給部と、前記入力パルス波形が入力されてから前記光パルスが出力開始されるまでの遅延時間に対応した所定の期間内は、前記励起レーザに所定の励起レーザ電流を供給するフィードフォワード制御を行うとともに、前記所定の期間が経過した後は、前記光パルスの強度に基づいて前記励起レーザ電流を調整して光パルスの強度が目標値となるようにフィードバック制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記励起レーザに供給される励起レーザ電流あるいは前記励起レーザが出力する励起レーザ光を検出する検出部を備え、前記制御部は、前記所定の期間内において前記フィードバック制御に加えて前記励起レーザ電流あるいは前記励起レーザ光をフィードバックして前記励起レーザ電流を制御することを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、予め求められた前記光パルスの強度と前記励起レーザ電流との相関関係を保持する保持部を備え、前記制御部は、前記保持部に保持された相関関係をもとに、前記光パルスの強度がオーバーシュートしないように前記所定の期間内で前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記制御部は、前記電流供給部の時定数が小さくなるに従って前記電流供給部への電流指示値の立ち上がり時の制御定数を小さくするフィードフォワード制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記制御部は、前記電流供給部の時定数が小さくなるに従って前記励起レーザ電流の目標値となるまで制御定数を小さくし、および／または制御周期を大きくすることを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記制御部は、光パルス出力がオフのときに、前記励起レーザ光の発振閾値未満の微小電流を前記電流供給部から出力する制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記制御部は、前記所定の期間をタイマで計時して、前記光パルスのフィードバック制御に切り換えることを特徴とする。

また、この発明にかかるパルスファイバレーザは、上記の発明において、前記保持部は、前記相関関係をテーブルまたは関数で保持し、更新可能であることを特徴とする。

この発明によれば、制御部が、入力パルス波形が入力されてから光パルスが出力開始されるまでの遅延時間に対応した所定の期間内は、励起レーザに所定の励起レーザ電流を供給するフィードフォワード制御を行うとともに、前記所定の期間が経過した後は、前記光パルスの強度に基づいて前記励起レーザ電流を調整して光パルスの強度が目標値となるようにフィードバック制御を行うようにしているので、少なくとも励起レーザ電流制御回路である電流供給部の遅延時間や時定数に起因する出力パルスのオーバーシュートを抑えて、入力パルス波形に対応した光パルスを出力することができる。

図１は、この発明の実施の形態１にかかるパルスファイバレーザの構成を示す模式図である。 図２は、図１に示したパルスファイバレーザの制御処理を示すタイムチャートである。 図３は、図２においてＡＣＣ回路の時定数が小さい場合の動作を示すタイムチャートである。 図４は、図２においてＡＣＣ回路の時定数が小さい場合の制御処理を示すタイムチャートである。 図５は、この発明の実施の形態２にかかるパルスファイバレーザの構成を示す模式図である。 図６は、図５に示したパルスファイバレーザの制御処理を示すタイムチャートである。 図７は、この発明の実施の形態２の変形例にかかるパルスファイバレーザの構成を示す模式図である。 図８は、図５においてＡＣＣ回路の時定数が小さい場合の動作を示すタイムチャートである。 図９は、図５においてＡＣＣ回路の時定数が小さい場合の制御処理を示すタイムチャートである。 図１０は、図９においてＡＣＣ回路の立ち上がりを速くした制御処理を示すライムチャートである。 図１１は、従来のパルスファイバレーザによる動作を示すタイムチャートである。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかるパルスファイバレーザの構成を示す模式図である。このパルスファイバレーザは、保持部１、制御部２、ＡＣＣ（Auto Current Control）回路３、励起レーザ４、ファイバレーザ共振器５、および出力光検出器７を有する。なお、ファイバレーザ共振器５は、全反射ミラー５ａと出力ミラー５ｃとの間に、Ｙｂ添加ファイバ５ｂが接続され、励起レーザ４の前方励起によって１μｍ帯のレーザ光を増幅して出力する。

入力端Ｔ１から制御部２に入力パルスＳＡが入力されると、制御部２は、ＡＣＣ回路３に励起レーザ電流の指示値ＳＢを出力する。このとき、ＡＣＣ回路３は、１０μｓ以上の時定数τを持たせておく。これにより、指示値ＳＢに対応して、時定数τが与えられた励起レーザ電流ＳＣを励起レーザ４に出力する。励起レーザ４は、励起レーザ電流ＳＣに対応した励起レーザ光をファイバレーザ共振器５に出力する。ファイバレーザ共振器５は、入力された励起レーザ光によって増幅媒体（Ｙｂ）が励起されて１μｍ帯の光パルスＳＤを出力端Ｔ２に出力する。また、出力光検出器７は、カプラ６を介して光パルスＳＤの一部を分岐し、光パルスＳＤの強度を検出し、この検出結果を制御部２に入力する。なお、ＡＣＣ回路３は、指示値ＳＢが入力されてから励起レーザ電流ＳＣを出力するまで、内部のＦＥＴやオペアンプの動作閾値のために、図２に示すように時間ｔ１の遅延が生じる。また、ファイバレーザ共振器５は、励起レーザ４から励起レーザ光が入力されてから発振閾値に達するまで、図２に示すように時間ｔ２の遅延が生じる。

ここで、出力光検出器７によって検出された光パルスの強度と励起レーザ電流ＳＣとの相関関係を予め求めておき、この相関関係を保持部１に保持しておく。この相関関係を求める場合、ＬＤ電流モニタ１０が用いられ、ＬＤ電流モニタ１０は、励起レーザ４に入力される励起レーザ電流ＳＣを検出して制御部２に入力する。

この相関関係は、図２（ｄ）に示すように、光パルスＳＤの強度がオーバーシュートすることなく、入力パルスＳＡ毎に、目標値Ｐｍに達するように、指示値ＳＢと励起レーザ電流ＳＣとの関係（図２（ｂ），（ｃ））が保持部１に保持されている。

出力光検出器７によって検出された光パルスの強度と励起レーザ電流ＳＣとの相関関係は、励起レーザや出力光検出器の経年劣化によって変化する。そのため、入力パルスＳＡ毎に、光パルスが目標値Ｐｍに達している時の指示値ＳＢと励起電流ＳＣを記録し、保持部１に保持されている指示値ＳＢと励起レーザ電流ＳＣとの関係を制御部２によって更新する。

ここで、図２に示すタイミングチャートをもとに制御部２による光パルス制御について説明する。まず、制御部２は、時点Ｔ１で入力パルスＳＡが入力されると（図２（ａ））、時点Ｔ１で、この入力パルスＳＡに対応する保持部１の指示値ＳＢの波形をもとに、指示値ＳＢの上限値ＳＢｍａｘ未満の一定値をＡＣＣ回路３に出力する（図２（ｂ））。

ＡＣＣ回路３は、時点Ｔ１で指示値ＳＢが入力されると、遅延時間ｔ１後、時点Ｔ２で励起レーザ電流ＳＣを出力する（図２（ｃ））。ただし、ＡＣＣ回路３は、回路の時定数τをもっており、この時定数τで、励起レーザ電流ＳＣの目標値Ｉｍまで立ち上がる。

励起レーザ４は、励起レーザ電流ＳＣの入力によって直ちに励起レーザ光をファイバレーザ共振器５に出力するが、ファイバレーザ共振器５の発振閾値に達するまでの遅延時間ｔ２後に光パルスＳＤが立ち上がる（図２（ｄ））。ここで、上述したように、励起レーザ電流ＳＣは、光パルスＳＤの立ち上がりにオーバーシュートが生じないような立ち上がりとなっている。

この光パルスＳＤが目標値Ｐｍまで立ち上がった時点Ｔ４までは、上述したフィードフォワード制御を行うが、この時点Ｔ４以降、制御部２は、出力光検出器７がモニタした光パルスの強度をもとに、光パルスの強度が目標値Ｐｍとなるようにフィードバック制御を行う。すなわち、図２に示した領域Ｒ１では、フィードフォワード制御を行い、領域Ｒ２では光パルスをフィードバックしたパワーフィードバック制御を行う。なお、領域Ｒ１に相当する期間は、ＡＣＣ回路３の遅延時間（ｔ１＋ｔ２）に対応して決定され、光パルス出力のオーバーシュートが生じない所定の期間であり、上述したフィードフォワード制御は、この所定の期間内で行われる。そして、この所定の期間が終了する時点Ｔ４からフィードバック制御が行われる。

これにより、光パルスＳＤは、オーバーシュートすることなく、入力パルスＳＡに対応したパルスとなる。この結果、加工物の品質劣化や加工性の低下を防止することができる。また、ディスプレイ光源に適用する場合には、安定した輝度を得ることができる。しかも、予め適切な指示値ＳＢと励起レーザ電流ＳＣとの波形で制御しているため、入力パルスＳＡの入力から光パルスＳＤの立ち上がり開始までの遅延時間（ｔ１＋ｔ２）も短くでき、光パルスＳＤの立ち上がり時間ｔ３も短くすることができる。この結果、数十μ秒程度の立ち上がり時間を維持した光パルスを得ることができる。

なお、図１１は、入力パルスＳＡが入力された時点からパワーフィードバック制御を行った場合を示しているが、この場合、少なくとも時点Ｔ３まで光パルスＳＤがフィードバックされていないため、指示値ＳＢは上限値ＳＢｍａｘとなり、遅延時間ｔ１後、励起レーザ電流ＳＣが急激な立ち上がりとなり、結果的に光パルスＳＤはオーバーシュートしてしまっている。

ところで、ＡＣＣ回路３の時定数τが小さい場合、図３（ｃ）に示すように、励起レーザ電流ＳＣは急激に立ち上がってしまう。この結果、この励起レーザＳＣに対応した励起レーザ光がファイバレーザ共振器５に急激に入力され、ファイバレーザ共振器５内で反転分布や誘導放出が急激に増加して大きなオーバーシュートを生起した光パルスとなる。

このため、この実施の形態１では、図４に示すように、ＡＣＣ回路３の時定数τが小さい場合、指示値ＳＢが徐々に大きくなるように制御する。これにより、励起レーザ電流ＳＣは時点Ｔ２後急激に立ち上がるものの、指示値ＳＢが小さいため、その後緩やかに立ち上がるため、図２と同様に、光パルスＳＤはオーバーシュートすることなく、目標値Ｐｍに到達する。なお、制御部２は、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御を行っており、これらの制御定数を小さくすることによって、上述した指示値ＳＢを徐々に大きくすることができる。すなわち、比例ゲイン、積分定数、微分定数などの制御定数を小さくする。

（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、時点Ｔ４までフィードフォワード制御を行っていたが、この実施の形態２では、このフィードフォワード制御に、励起レーザ電流ＳＣあるいは励起レーザ光のフィードバック制御をさらに加えるようにしている。

図５は、この発明の実施の形態２にかかるパルスファイバレーザの構成を示す模式図である。このパルスファイバレーザは、実施の形態１のパルスファイバレーザに、ＬＤ電流モニタ１０を設け、制御部２がこのＬＤ電流モニタ１０がモニタした励起レーザ電流ＳＣの電流値を時点Ｔ４までフィードバック制御を行う。なお、保持部１には、光パルスＳＤの強度と励起レーザ電流ＳＣとの相関関係が保持されている。すなわち、励起レーザ電流ＳＣの目標値Ｉｍが保持されている。

図６は、図５に示したパルスファイバレーザの光パルス制御を示すタイミングチャートである。図６において、入力パルスＳＡが入力された時点Ｔ１後、制御部２は、励起レーザ電流ＳＣをモニタしているが、時点Ｔ１後は検出されないため、指示値ＳＢは、上限値ＳＢｍａｘまで立ち上がる（図６（ｂ））。しかし、制御部２は、時点Ｔ２からは励起レーザ電流ＳＣを検出するため、時点Ｔ３近傍で励起レーザ電流ＳＣが目標値Ｉｍに近づくため、この時点Ｔ３以降は指示値ＳＢが小さくなる。この結果、励起レーザ電流ＳＣは、大きなオーバーシュートをすることなく、目標値Ｉｍに収束する。これにより、光パルスＳＤは、オーバーシュートすることなく、時点Ｔ４で目標値Ｐｍに達する。

この実施の形態２では、領域Ｒ１で励起レーザ電流ＳＣによるフィードバック制御をさらに行い、領域Ｒ２で光パルスＳＤによるフィードバック制御を行うようにしているので、オーバーシュートのない光パルスを出力することができる。

図５では、領域Ｒ１で励起レーザ電流ＳＣによるフィードバック制御を加えるようにしているが、これに限らず、領域Ｒ１で励起レーザ光によるフィードバック制御を加えるようにしてもよい。すなわち、図７に示すように、ＬＤ電流モニタ１０に替えて、カプラ１１ａを介して励起レーザ光をモニタするＬＤ光モニタ１１を設け、このＬＤ光モニタ１１が検出した励起レーザ光を制御部２にフィードバックする。この場合も、励起レーザ電流ＳＣのフィードバック制御と同様な制御が行われる。なお、保持部１には、光パルスＳＤの強度と励起レーザ光との相関関係が保持されている。すなわち、励起レーザ光の目標値が保持されている。

光パルスＳＤの強度と励起レーザ光との相関関係は、ファイバレーザ共振器や出力光検出器の経年劣化によって変化する。そのため、入力パルスＳＡ毎に、光パルスが目標値Ｐｍに達している時の励起レーザ光と光パルスＳＤの強度を記録し、保持されている光パルスＳＤの強度と励起レーザ電流ＳＣとの相関関係を制御部２によって更新する。

ところで、ＡＣＣ回路３の時定数τが小さい場合、図８（ｃ）に示すように、励起レーザ電流ＳＣは急激に立ち上がってしまう。この結果、この励起レーザＳＣに対応した励起レーザ光がファイバレーザ共振器５に急激に入力され、ファイバレーザ共振器５内で反転分布や誘導放出が急激に増加して大きなオーバーシュートを生起した光パルスとなる。

このため、この実施の形態２では、図９に示すように、ＡＣＣ回路３の時定数τが小さい場合、指示値ＳＢが徐々に大きくなるように制御する。これにより、励起レーザ電流ＳＣは時点Ｔ２後急激に立ち上がるものの、指示値ＳＢが小さいため、その後緩やかに立ち上がるため、図２と同様に、光パルスＳＤはオーバーシュートすることなく、目標値Ｐｍに到達する。なお、制御部２は、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御を行っており、これらの制御定数を小さくすることによって、上述した指示値ＳＢを徐々に大きくすることができる。すなわち、比例ゲイン、積分定数、微分定数などの制御定数を小さくする。あるいは、制御部２は、フィードバック制御の制御周期を長くするようにしてもよい。

ここで、図９に示した期間ｔ１の初期では、制御値ＳＢの値が小さいため、励起レーザ電流ＳＣの立ち上がりが遅くなり、期間ｔ１が長くなってしまう。これは、ＡＣＣ回路３内のＦＥＴやオペアンプのオン閾値に達していないからである。このため、図１０に示すように、光パルス出力がオフのときに、励起レーザ光の発振閾値未満の微小電流をＡＣＣ回路３から励起レーザ４に出力しておく制御を行い、ＡＣＣ回路３の立ち上がりを速くする。これにより、期間ｔ１が短くなり、入力パルスＳＡの立ち上がりから光パルスＳＤの目標値への立ち上がりまでの時間を短くすることができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、領域Ｒ１から領域Ｒ２への切り替えを光パルスの強度が目標値に達した時点として説明したが、これに限らず、制御部２がタイマを有し、予め決定された、入力パルスＳＡが入力された時点Ｔ１から光パルスの強度が目標値Ｐｍに達して時点Ｔ４までをタイマで計時して切り替えるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１，２では、時点Ｔ４で、フィードフォワード制御、または励起レーザ電流あるいは励起レーザ光のフィードバック制御を含むフィードフォワード制御から、光パルス出力のフィードバック制御に切り替えているが、この切り替え時点は、時点Ｔ４に限らず、時点Ｔ４の前後であってもよい。すなわち、領域Ｒ１に相当する所定の期間は、短くても長くてもよい。要は、光パルス出力のオーバーシュートが生じないように所定の期間内でフィードフォワード制御を行えばよい。

１ 保持部
２ 制御部
３ ＡＣＣ回路
４ 励起レーザ
５ ファイバレーザ共振器
５ａ 全反射ミラー
５ｂ 出力ミラー
６，１１ａ カプラ
７ 出力光検出器
１０ ＬＤ電流モニタ
１１ ＬＤ光モニタ
Ｔ１ 入力端
Ｔ２ 出力端
ＳＡ 入力パルス
ＳＢ 指示値
ＳＣ 励起レーザ電流
ＳＤ 光パルス
Ｒ１ 領域（所定の期間）

Claims (8)

1. 入力パルス波形に対応した励起レーザ電流を励起レーザに入力し、該励起レーザからの励起光をファイバレーザ共振器に入力し、該ファイバレーザ共振器から前記入力パルス波形に対応した光パルスを増幅出力するパルスファイバレーザにおいて、
   前記励起レーザに前記励起レーザ電流を供給する電流供給部と、
   前記入力パルス波形が入力されてから前記光パルスが出力開始されるまでの遅延時間に対応した所定の期間内は、前記励起レーザに所定の励起レーザ電流を供給するフィードフォワード制御を行うとともに、前記所定の期間が経過した後は、前記光パルスの強度に基づいて前記励起レーザ電流を調整して光パルスの強度が目標値となるようにフィードバック制御を行う制御部と、
   を備えたことを特徴とするパルスファイバレーザ。
2. 前記励起レーザに供給される励起レーザ電流あるいは前記励起レーザが出力する励起レーザ光を検出する検出部を備え、
   前記制御部は、前記所定の期間内において前記フィードバック制御に加えて前記励起レーザ電流あるいは前記励起レーザ光をフィードバックして前記励起レーザ電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のパルスファイバレーザ。
3. 予め求められた前記光パルスの強度と前記励起レーザ電流との相関関係を保持する保持部を備え、
   前記制御部は、前記保持部に保持された相関関係をもとに、前記光パルスの強度がオーバーシュートしないように前記所定の期間内で前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のパルスファイバレーザ。
4. 前記制御部は、前記電流供給部の時定数が小さくなるに従って前記電流供給部への電流指示値の立ち上がり時の制御定数を小さくするフィードフォワード制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のパルスファイバレーザ。
5. 前記制御部は、前記電流供給部の時定数が小さくなるに従って前記励起レーザ電流の目標値となるまで制御定数を小さくし、および／または制御周期を大きくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のパルスファイバレーザ。
6. 前記制御部は、光パルス出力がオフのときに、前記励起レーザ光の発振閾値未満の微小電流を前記電流供給部から出力する制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のファイバレーザ。
7. 前記制御部は、前記所定の期間をタイマで計時して、前記光パルスのフィードバック制御に切り換えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のパルスファイバレーザ。
8. 前記保持部は、前記相関関係をテーブルまたは関数で保持し、更新可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のパルスファイバレーザ。

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