JP2000150987A - 光ファイバレーザとレーザ装置および光ファイバアンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな励起光源であっても効率よくレーザ励
起する製作容易で扱いやすい高出力ファイバレーザを提
供する。 【解決手段】 一端側に反射鏡５を固定したレーザファ
イバ２をループ状に巻回して会合した部分を接合し、こ
の接合部４に上流側から導波路１を差し込み融着してポ
ンピングレーザを供給する光学カプラを形成し、レーザ
ファイバ２が複数箇所でポンピングレーザを受入するよ
うにしてレーザ光を増大させて、もう一方の端６からレ
ーザ放出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ中に含
有させたレーザ活性物質に励起光を供給することによっ
てレーザ発振を行う光ファイバレーザおよび光ファイバ
レーザを用いたレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工またはレーザプリントなどレ
ーザエネルギーを利用する分野において、レーザダイオ
ードの使用範囲が広がっているが、レーザビームの形状
の問題や出力が比較的小さいという問題があってまだま
だ使用できる対象が限られているため、より高出力でよ
り安価なレーザ装置の開発が望まれている。この要請に
応じ得るものとして光ファイバレーザが知られている。
光ファイバレーザはある種の稀土類金属イオンを注入し
た光ファイバにより構成されるが、特にシリカをベース
としたクラッド励起ファイバは高度な光増幅能力を有
し、しかも１００ＭＷ／ｃｍ²水準の光強度でも損傷を
受けない。

【０００３】現在でも数ｋＷ級の出力を得ることが可能
であるが、このレベルを超える高出力光ファイバレーザ
を得るためには、ダイオードレーザの光を活性ファイバ
に効率良く注入するカップリング法が必要である。従来
は、カップリング法としてファイバの一端または両端部
から励起光を導入する端面励起方式が用いられることが
多かった。端面励起方式では、光ファイバの断面積が小
さいため、クラッド励起ファイバ自体よりむしろ励起光
の形状が問題となる。また、励起光を導入する場所が最
大２カ所しかなく、励起用レーザダイオード（以下、Ｌ
Ｄと記す）の数を増やすことができないので、ＬＤの輝
度を増し出力を上げる他にレーザ装置の高出力化をする
方法がなかった。

【０００４】これに対し、ファイバ側面から励起光を導
入する方式を用いて、端面励起方式より励起光の導入場
所を多くすることにより、光ファイバレーザの高出力化
が図られている。レーザファイバの側面から励起光を導
入する方法として、レーザファイバ側面にプリズムを融
着する方法があるが、この方法は光学的アライメントの
精度要求が高く実用的でない。また、レーザファイバの
クラッドにＶ形の溝を設けてここから励起光を導入する
方法もあるが、この方法も工作精度の要求が高くまたレ
ーザファイバが折れやすくなる問題があった。

【０００５】これらの障害を克服する方法として、国際
公開公報Ｗ０９６／２０５１９に、励起光を導入すべき
１本のレーザファイバの側面にフィーディングファイバ
と呼ばれるファイバを融着しこのフィーディングファイ
バから励起光の導入を行う方法が開示されている。この
公報開示の方法で形成される結合部は、レーザファイバ
とフィーディングファイバが出合う位置で径が太くなり
先に進むにつれて元の径に戻るようなテーパが付いてい
る。このテーパ形状は励起光がレーザファイバの側面で
反射を繰り返す間における損失をできるだけ小さくする
ためのものである。テーパ形状をしたフィーディングフ
ァイバにより励起光を導入する部分を本明細書ではアン
グルドカプラと呼ぶことにする。

【０００６】図１５は、前記国際公開公報に開示された
アングルドカプラを模式的に表した図面である。アング
ルドカプラは直行するレーザファイバに所定の角度でフ
ィーディングファイバを融着したものであり、図から分
かるように、フィーディングファイバから供給された励
起光がテーパ形状の部分で反射する度にテーパ角αだけ
反射面に対する入射角（法線から見た入射方向の角度）
が小さくなる。したがって、全反射を重ねて入射角が臨
界角より小さくなると全反射が起こらず励起光が漏れ出
すようになる。

【０００７】このため、励起光の全反射条件が破れる前
に励起光がテーパ形状の部分、すなわちアングルドカプ
ラ部分を通過して、レーザファイバの励起光導波部分に
取り込まれるようにすることが好ましい。フィーディン
グファイバとレーザファイバのなす角度を一定にした場
合、アングルドカプラにおける励起光の反射回数を少な
くするためには、レーザファイバの径を基準としたフィ
ーディングファイバの径をより小さくして、カプラ部分
の長さを短くする必要がある。

【０００８】励起光の光源には半導体レーザあるいは半
導体レーザアレイが用いられる場合が多いが、通常これ
らの出力はビーム広がり角が大きく、特に半導体レーザ
アレイの出力光では集光性が悪い。したがって、フィー
ディングファイバの径を小さくすると、励起光源として
半導体レーザアレイを使用した場合、半導体レーザアレ
イからフィーディングファイバへの入射光率が低下する
ので、ファイバレーザを高出力化することができないと
いう問題があった。

【０００９】また、広がり角の大きい励起光を小径のフ
ィーディングファイバで伝送すると、フィーディングフ
ァイバから出射するときにはビーム広がり角はさらに大
きくなるため、カプラからレーザファイバに導入された
励起光は全反射条件が破れ易いという問題がある。一
方、カプラ部分での損失を低減させるためレーザファイ
バの径を太くすると、光ファイバが有する可撓性という
特長が失われることになる。

【００１０】なお、励起光を供給するアングルドカプラ
を多数配設することにより光ファイバレーザの高出力化
をすることができる。この場合にレーザの出力をより強
化するには、アングルドカプラの間隔をできるだけ短く
してより多くのアングルドカプラを設けるようにするこ
とが好ましい。しかし、アングルドカプラからレーザフ
ァイバに導入された励起光が次のアングルドカプラ位置
に到達すると、その部分で全反射条件が破れある割合で
ファイバ外部に漏れ出てしまう。したがって、複数のア
ングルドカプラを短い間隔でカスケード状に配設した場
合には、アングルドカプラ部分における励起光の漏れの
ため励起効率が低下する。

【００１１】なお、励起光が漏れる割合は、アングルド
カプラの終端位置におけるレーザファイバの断面積とフ
ィーディングファイバが融着された部分におけるレーザ
ファイバの断面積の比が大きいほど大きくなる。上述し
たように、アングルドカプラによりレーザファイバに励
起光を導入するファイバレーザ装置でも、目的の性能を
持った装置を製造する場合の条件が厳しく、高出力化し
ようとすると励起光の導入効率が低下してレーザ効率が
劣化するという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、励起光を効率よく導波路に導入で
きる光学カプラを用いて、レーザ効率が高くしかもカス
ケード接続による漏れ出しが少なく容易に高出力化で
き、かつより容易に設計製造できる光ファイバレーザと
これを用いたレーザ装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の光ファイバレーザは、ファイバ中に含まれ
るレーザ活性物質を励起する励起光とレーザ活性物質に
起因するレーザ光とを伝搬し端部よりレーザ光を放射す
るレーザファイバを備え、このレーザファイバがコイル
状に巻かれていて少なくとも１カ所で会合して接合され
た接合部を形成しており、この接合部において屈曲した
レーザファイバの接線方向上流側表面に光注入導波路を
光学的に接合して励起光をレーザファイバに導入する光
学カプラが形成されていることを特徴とする。また、光
学カプラは、接合部に複数のレーザファイバが会合して
いて光注入導波路がその接合部の上流側からくさび状に
介装されて光学的接合されたもので、レーザファイバの
接合面に光注入導波路の軸が来るように配設されている
ものであってもよい。

【００１４】本発明の光ファイバレーザは、光学カプラ
において注入する励起光の損失が少なく、レーザ効率が
高い。また従来のサイドカプリング構造を用いた場合と
比較して製作精度の要求が低く、構造的にも強度が高
い。また、多数の光学カプラをカスケード状に配設する
ことが容易に可能で、個々の光学カプラにおける励起光
の光源が小さいものでも、簡単にレーザ出力を強化する
ことができる。特に、レーザファイバをループ状に巻回
して適所で会合させて接合しそこに光学カプラを設けた
ものは、比較的少数の光学カプラで多数回励起光注入を
して容易にファイバレーザの高出力化を図ることができ
る。なお、光学カプラが、複数のレーザファイバが接合
面に対して垂直な方向に層状に接合されていて、光注入
導波路を挟んで２分されているものであってもよい。こ
のような構造では、長いレーザファイバの多重ループで
も接合部で重層化することにより簡単に励起光注入を行
うことができ、効率の高いファイバレーザを容易に得る
ことができる。

【００１５】また、光注入導波路から注入する励起光が
レーザ光であって、接合部がレーザ光の広がり角が大き
い方向にレーザファイバを重ねた状態になっていてもよ
い。このような光学カプラではレーザファイバの実質的
な幅が大きくなって、励起光の広がり角が大きくてもレ
ーザファイバ内壁における反射角が大きくならないの
で、効率の良いファイバレーザを得ることができる。さ
らに、光学カプラが、複数のレーザファイバを層状に接
合して形成した複数の接合面において、複数の光注入導
波路の各々をその軸がその接合面上に来るように接合部
分上流側からくさび状に介装して光学的接合してあるも
のであってもよい。このような構造を採用することによ
り、少ない接合部で強力な励起光導入を行うことができ
る。

【００１６】また、上記課題を解決するため、本発明の
レーザ装置は、上記の光ファイバレーザ装置と、励起光
光源と、光ファイバレーザ装置より出力されるレーザ光
を集光する集光手段とを備えるレーザ加工装置であるこ
とを特徴とする。本発明のレーザ装置は、レーザファイ
バの可撓性を生かしながら出力強化を行うことができる
ので、加工端を容易に加工位置に合わせることができる
操作性の良い強力なレーザ加工装置となる。さらにま
た、本発明のレーザ装置は同様の構成を有し、レーザフ
ァイバの光信号増幅機能を利用したレーザプリンタであ
っても良い。レーザファイバの可撓性が保全されるため
印刷ヘッドの駆動が容易で、高出力のため高速印刷が可
能である。また、光信号供給部や光学カプラなどの配置
における自由度が大きいため装置設計や製作が容易にな
る利点もある。

【００１７】なお、本発明の光ファイバアンプは、ファ
イバ中に含んだ活性物質を励起する励起光と一端から入
力された信号光とを伝搬し、他端より増幅された信号光
を出力するファイバを備えた光ファイバアンプであっ
て、ファイバがコイル状に巻かれていて少なくとも１カ
所で会合して接合された接合部を形成しており、接合部
の少なくとも１カ所において、ファイバが屈曲されてい
て屈曲したファイバの接線方向上流側表面に光注入導波
路を光学的に接合して励起光を導入する光学カプラが形
成されていることを特徴とする。本発明の光ファイバア
ンプは、小さな励起光を集積して信号光に対して大きな
増幅度を得ることができ、また長距離信号伝送が可能に
なる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の光
ファイバレーザの１実施例の概略構成図、図２は本実施
例における光学カプラ部分の構成を表す平面断面図、図
３は図２の光学カプラの動作原理を示す線図、図４と図
５は図２の光学カプラの異なる態様の一部断面斜視図、
図６は本発明に用いる別の光学カプラの断面図、図７は
本実施例における励起光の供給方法の１例を示す構成
図、図８は図７における実施例に用いた光注入導波路部
分の側面図、図９はその平面図、図１０は図７の実施例
に用いたレーザファイバの断面を表す斜視図、図１１は
本実施例に用いる光学カプラをカスケード接続した状態
を示す構成図、図１２は本発明の光ファイバレーザの別
の態様を説明する構成図、図１３は本発明のレーザ装置
をレーザ加工装置として実施したときの概念図、図１４
は本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用した実施
例の斜視図である。

【００１９】

【実施例１】本実施例の光ファイバレーザは、図１に示
すように、何重かのコイル状に巻いた１本のレーザファ
イバ２から形成されている。レーザファイバ２は会合す
る適当な位置で保護膜を剥いでクラッド部分同士が接合
され接合部４を形成する。接合部４には、光注入導波路
１が上流側の股の部分に挿入され固定されて光学カプラ
が形成されていて、図外の光源で発生する励起光をレー
ザファイバ２の中に導入する。

【００２０】レーザファイバ２はマルチモードでもシン
グルモードでも良く、例えばシリカを主成分とし外周を
屈折率の低いポリマーでコーティングしてある。レーザ
ファイバ２のコア３にはレーザ活性物質が含まれてい
て、光注入導波路１から注入されてレーザファイバ２中
を伝搬する励起光によりレーザ光が励起される。レーザ
ファイバ２中に発生したレーザ光は、レーザファイバ２
の１端に設けられた反射鏡５で反射し、他端に設けられ
た放射口６から放出される。光学カプラはレーザファイ
バ２が形成するコイルの随所に配設され、１カ所当たり
では比較的小さな励起光光源でも、総合すると十分大き
な励起光エネルギーがレーザファイバ２中に導入できる
ようになっている。

【００２１】本実施例の光ファイバレーザに用いられる
光学カプラは２本のレーザファイバ２，２’が一旦接合
してその後再び分離していて、図２に拡大して示すよう
に、２本のレーザファイバ２，２’はクラッド部分で融
着して接合部４を形成しているがコア部分３，３’は交
差することなくそれぞれ独立に上流から下流に連続して
光を伝搬するようになっている。励起光すなわちポンピ
ングレーザを注入する光注入導波路１は、接合部４の上
流側に光注入導波路１の中心軸がレーザファイバ２，
２’の接合面に含まれるように配置され、それぞれレー
ザファイバ２，２’に接する部分で光学的に接合されて
いる。なお、レーザファイバ２，２’はポリマーコーテ
ィングを剥がして露出させたクラッド部分同士を接触さ
せて、例えば融着することで接合される。接合後の境界
は融合して明瞭でなくなる場合が多い。

【００２２】レーザファイバ２，２’には既に存在する
レーザ光がコア３，３’の中を上流方向２、２’から下
流方向に向かって流れている。光注入導波路１から注入
されたポンピングレーザはレーザファイバ毎にほぼ半割
されてそれぞれのレーザファイバ２，２’に導入され、
主にクラッド部分を下流方向に流れ下る間にレーザ活性
物質を励起してレーザ発光させ、レーザファイバ中のレ
ーザ光を増幅させる。なお、この光学カプラにおけるレ
ーザファイバ２，２’は、１本のレーザファイバが同じ
位置に戻ってきて接合されたものである。図１では２重
に巻いた状態を示しているが、レーザファイバ２の必要
長や励起光注入の必要回数などに基づいてコイルターン
数を適当に選択することができる。

【００２３】また、本実施例における光学カプラでは、
光注入導波路１はマルチモードの光導波路が好ましい。
レーザファイバ２，２’に含ませるレーザ活性物質に
は、イッテルビウムイオンＹｂ³⁺、ネオジムイオンＮｄ
³⁺、エルビウムイオンＥｒ³⁺を加えたイッテルビウムイ
オンＹｂ³⁺／Ｅｒ³⁺、あるいはツリウムイオンＴｍ³⁺、
ホルミウムイオンＨｏ³⁺を加えたツリウムイオンＴｍ³⁺
／Ｈｏ³⁺、その他遷移金属類のイオンがよく用いられ
る。レーザ活性物質の濃度は普通１０分の数mol％から
数mol％である。レーザ活性イオンはコア３に含有させ
ても良いが、コア３を囲む鞘を形成し、その鞘部分に含
有させてもよい。

【００２４】このようなレーザ活性イオンは光学カプラ
から注入されてレーザファイバ中を伝搬されている励起
光によって励起されるとレーザを発生し、発生したレー
ザ光はコア中を伝搬し一方に進行したレーザ光は放射口
６から射出し、他方に進行したレーザ光も終端に設置さ
れた反射鏡５で反射して再びコア３中を伝搬し同じ放射
口６から射出される。

【００２５】光学カプラで注入するポンピングレーザの
光強度が小さいときは、光ファイバコーティングの熱的
安定性に対する要求が緩和される。ファイバレーザでは
励起光強度は１００ｋＷ／ｃｍ²程度あれば十分である
から、ソフトガラスあるいは場合によっては高分子材料
を使用して光ファイバを接合部に固定するようにしても
よい。たとえば、シリカ製の光ファイバ２，２’の接合
部分に、同じくシリカ製の励起光注入用光ファイバ１を
紫外線硬化性接着剤を介してくさび状に差し込んで融着
する。なお、光ファイバ１，２，２’を紫外線硬化型ア
クリル樹脂でコーティングしておいて、会合させて融着
させることもできる。

【００２６】また、上記接着剤の代わりにシリカの屈折
率に近い屈折率を持つフルオロフォスフェートやＢＫ７
などのソフトガラスを用いてシリカ製光ファイバ１，
２，２’同士を融着させることもできる。なお、レーザ
ファイバ２，２’はコアとクラッドの間に、シリカにフ
ッ素、ゲルマニウムあるいはリンなどを加えて形成した
ソフトな環状緩衝層を設けておいて、溶融時にコアが変
形しないようにしても良い。緩衝層があると光受入ファ
イバ２，２’を融着して接合部を形成するときや、接合
部に光注入ファイバ１を直接的に溶融接続させるときに
コア形状が保全できるので安全である。

【００２７】光学カプラにおける別の接合方法では、励
起光を導入する光注入ファイバ１をソフトガラスで形成
し、シリカを主成分とする光受入ファイバ２，２’の接
合部分に挿入し、挿入部分先端を溶融して固定する。こ
の方法は使用する材料の種類が少なくまた工法が簡単に
なる利点がある。

【００２８】レーザファイバ３２の全長は数ｍから数１
００ｍにおよぶ。従って、個々のレーザダイオードアレ
イの出力が小さくても光学カプラの数が多ければ十分強
いレーザ光を得ることができる。なお、同じ構成を伝搬
中に信号光を増幅する光ファイバに適用することもでき
ることは言うまでもない。

【００２９】次に、図３を用いて本実施例の光学カプラ
において高い光導入効率が得られる条件を説明する。図
３において、図面上側のレーザファイバ２と図面下側の
レーザファイバ２’が接合している接合部分に光注入導
波路１がくさび状に介装されている。レーザファイバ２
と光注入導波路１がなす交差角をαとすると、レーザフ
ァイバ２は上流側で光注入導波路１と接する位置から緩
やかな円弧を描いて接合面に達する。このときこの円弧
を見込む角はαになる。

【００３０】注入された光の全てがレーザファイバ２の
下流側直線部分に達するようにすれば、最も有効にレー
ザファイバ２に供給することができる。すなわち、光注
入導波路１からレーザファイバ２に入射する注入光が光
学カップル部分が始まる位置Ｃ₀から接合部が終わる位
置Ｃ₁まで走行する間に注入光の縁部がレーザファイバ
２の壁に達しなければよい。

【００３１】そこで、レーザファイバ２への注入光の広
がり角（半分角）をβ、光注入導波路１の幅をＴfeed、
レーザファイバ２の幅をＴfiberとすると、 Ｃ₀Ｃ₁tanβ＜Ｔfiber−Ｔfeed／２ であればよい。ところで、レーザファイバ２の曲率半径
をｒとすれば、 Ｃ₀Ｃ₁＝ｒsinα。 また、 Ｔfeed／２＝ｒ（１−cosα） であるから、 Ｃ₀Ｃ₁＝Ｔfeed（sinα／２（１−cosα）） ＝（Ｔfeed／２）×tan（α／２）。 従って、Ｒ＝Ｔfeed／Ｔfiberとおくと、 tanβ＜tan（α／２）×（２／Ｒ−１） であることが、注入された光を無駄なく利用するための
十分条件であることが分かる。また、下側のレーザファ
イバ２’は接合面を挟んで対称であるから、全く同じ条
件が成立する。

【００３２】上記の関係式から、交差角αが大きくなる
ほど、また幅比Ｒが小さいほど最大広がり角βが大きく
なり、かなり大きな広がり角βを有する光でも、光導波
路の幅や交差角を選択することにより効率よく光注入で
きることが分かる。このように、本発明の光学カプラは
個々の光導波路形状を問題とせず接合部の形状が重要に
なる。従って光学カプラにおけるレーザファイバや光導
波路の設計が自由になる利点も有する。

【００３３】なお、上式における交差角αは、最終的に
はレーザファイバ２が描く円弧に拘束されず、光注入導
波路１の先端の角度を代表する指標になっている。した
がってレーザファイバ２は円弧を描いて接合する必要は
なく、光注入導波路１と平面で接触し接合していても良
い。この場合は、光注入導波路１の幅Ｔfeedとして、レ
ーザファイバ２との接合が始まる位置Ｃ₀における幅を
採用すればよい。

【００３４】本実施例における最も簡単な光学カプラ
は、上下各１本のレーザファイバ２，２’の接合部４に
光を供給する注入光ファイバ１を嵌入させたものであ
る。受入光ファイバ２，２’は矩形断面を有し、中心に
レーザ活性物質を含有するコア３，３’が配置され、２
本の光ファイバ２，２’が接合する部分の上流にくさび
状に注入光ファイバ１が嵌装されている。

【００３５】図４と図５は、本実施例で用いられる各種
態様の光学カプラの一部断面斜視図である。図は、光学
カプラの受入導波路と注入導波路が接合されている部分
で切断した状態を示す。図４に示すものは、上下１層の
受入導波路にそれぞれ複数のレーザファイバが並列に接
合されていて、それぞれのレーザファイバが１本の注入
導波路に直接接触するようになっている光学カプラであ
る。この態様の光学カプラでは１本の注入導波路１から
各レーザファイバ２，２’に直接的に励起光が注入され
るようになっている。

【００３６】各レーザファイバはレーザプリンタに用い
る場合のようにそれぞれ独立したものであってもよい
が、１本の光ファイバが多重のループを形成していると
きに光学カプラの位置で会合して接合部を形成するよう
にしても良い。後者のような使用方法は、ファイバレー
ザなどで必要な量の励起光を分割して注入するようにし
て、１カ所で注入する励起光エネルギーを小さくしなが
ら積算した光量を大きくすることにより全体として大出
力化する場合などに効果が大きい。

【００３７】図５に示した光学カプラは、上下の光受入
導波路２，２’にそれぞれ複数のレーザファイバが垂直
方向に層状に接合されていて、１本の光注入ファイバ１
から供給される励起光が内層から外層のレーザファイバ
に適当に配分されるようになっている。なお、通常はク
ラッド同士の接合面は融合して光学的な障壁にならない
ので、励起光は外層のレーザファイバまで容易に到達
し、実質的に光受入導波路の幅が大きくなったと同じこ
とになる。

【００３８】励起光として半導体レーザから放射される
レーザ光を用いる場合は、レーザ光の広がり角βが光軸
に対して対称でないので、広がり角の大きくなる方向に
レーザファイバを積層すると受光効率が良くなりレーザ
効率も向上する。また、複数のレーザファイバ２を層状
に接合し、各層間に光注入ファイバ１をくさび状に嵌入
したものも使用できる。このような態様のものは励起光
レーザの出力が小さい場合にも、総合した注入エネルギ
ーが大きくなるのでレーザ効率が向上する。

【００３９】図６はより多数のレーザファイバを会合さ
せて形成した光学カプラの１例における断面を表す図面
である。レーザファイバ層２が多層に形成されていて、
各層のレーザファイバ層にそれぞれ複数のレーザファイ
バが並列に接合されている。各層のレーザファイバ層２
に挟まれてくさび形の光注入ファイバが設けられる。レ
ーザファイバ同士の境界面７およびレーザファイバ層と
光注入ファイバの境界面８は融合している。このような
構造により、多数のレーザファイバを会合させて１カ所
で光導入することができる。

【００４０】図７から図１０は、本実施例のレーザファ
イバに光学カプラを用いて励起レーザ光を供給するよう
にした１構成例におけるレーザ光供給部分を表した図面
である。図７は、レーザ光供給部分を表した斜視図であ
る。光注入導波路１１は、後端が集光レンズの機能を有
する曲面１５をなし、先端が先鋭なくさび状になったレ
ンズダクトである。複数のレーザファイバ１２が上下の
層に分かれて集合し、層毎にそれぞれ並列に接合され、
さらに上下層が接合されて接合部１３を形成している。
レンズダクト１１のくさび状先端部は接合部１３に嵌入
して、先端から所定の領域部分１４がレーザファイバ表
面と融着している。

【００４１】レンズダクト１１の後端部レンズ１５の後
ろには、レーザダイオードを縦横に重層したダイオード
アレイ１６が配設されている。ダイオードアレイ１６は
横Ｌ ₁’縦Ｌ₂’の方形発光面を有し、面積で１ｃｍ²か
ら数ｃｍ²程度の大きさがある。発光面に行列したレー
ザダイオードは幅１μｍ程度、長さ１００から２００μ
ｍ程度の細長い発光領域を持っていて、レーザダイオー
ドから放射されるレーザ光は発光領域に対して垂直方向
に広がり角が大きい。発光面の前面に装着された円柱形
や非球面形の収束用マイクロレンズ１７がレーザダイオ
ードの発光領域からのレーザ光をそれぞれ垂直方向に収
束する。

【００４２】マイクロレンズ１７を通過して適当な広が
り角を持つようになったレーザ光は、さらに水平長さＬ
₁垂直長さＬ₂のレンズ曲面１５で収束してレンズダクト
１１内に取り込まれる。ポンピングレーザがダイオード
アレイ１６からレンズ曲面１５まで伝搬する間のパワー
密度増幅率は、 Ｍlaunch＝ηlaunch Ｌ₁'Ｌ₂'／Ｌ₁Ｌ₂ （１−ａ） となる。ここで、ηlaunchは伝達効率で、通常０．９５
程度が見込める。

【００４３】図８はレンズダクト１１部分の側面図であ
る。垂直長さＬ₂の曲面レンズ１５に入射する垂直方向
に広がったポンピングレーザをレンズダクト１１に取り
込んで、直接にあるいはレンズダクト１１の壁で反射し
て、くさび状になった先端部に集光する。図９はレンズ
ダクト１１部分の平面図である。水平長さＬ₁の曲面レ
ンズ１５に入射する水平方向に広がったポンピングレー
ザをレンズダクト１１に取り込んで、水平方向に収縮し
先端部に集光する。

【００４４】レンズダクト１１の先端部に到達したレー
ザ光は、光ファイバ表面と融着している領域部分１４か
ら光ファイバ１２に注入される。レンズダクト１１から
ポンピングレーザは水平長さｌ₁垂直長さｌ₂の接合部１
３に注入されるから、レンズダクト１１におけるパワー
密度増幅率は、 Ｍduct＝ηduct Ｌ₁Ｌ₂／ｌ₁ｌ₂ （１−ｂ） となる。ここで、ηductはレンズダクトの伝達効率で、
特殊な表面コーティングがなくても通常０．８０以上が
見込める。

【００４５】また、図１０はレーザファイバ１２を切断
して斜め上方から見た斜視図である。幅ａ₁高さａ₂のク
ラッド部分の中心に直径２ｒのコアが通っている。接合
部に注入されたポンピングレーザは半径ｒのコアに吸収
されてレーザ活性物質を励起するので、この間のパワー
密度増幅率は、 Ｍcp＝ηcp ｌ₁ｌ₂ ／πｒ² （１−ｃ） となる。ここで、ηcpはクラッドポンプ型結合部におけ
る伝達効率で、０．５０程度の値が見込める。

【００４６】結局、全体としてのパワー密度増幅率は、
Ｍ＝Ｍlaunch×Ｍduct×Ｍcp ＝ηlaunch×ηduct×ηcp×Ｌ₁'Ｌ₂'／πｒ² （２） と表すことができる。各効率の積だけ増幅率が小さくな
るが、典型的な例では約４０％の総合効率があり、面積
１ｃｍ²出力密度１ｋＷ／ｃｍ²のダイオードアレイを用
いたときに、半径２５μｍ、面積約２×１０^-3ｍｍ²の
コアの出力密度は約２０ＭＷ／ｃｍ²となる。

【００４７】上記のような光学カプラは、接合部にポン
ピングレーザを注入するので、従来の端面注入型カップ
リングのようにレーザファイバ自体の断面形状によらな
い利点がある。また、ポンピングレーザ注入位置におけ
るパワー密度が小さいため熱因的欠損が生じにくい。こ
れら利点により、レーザファイバや光注入ファイバの設
計や製造が容易である。

【００４８】なお、接合部の最小寸法は開口数などから
下記のようにして決められる。 ｌ_1,min＝Ｌ₁ＮＡ_s／ＮＡ （３−ａ） ｌ_2,min＝Ｌ₂ＮＡ_f／ＮＡ （３−ｂ） ここで、ＮＡ_fは水平方向の入射光開口数で典型的には
１程度、ＮＡ_sは垂直方向の入射光開口数で約１０、Ｎ
Ａはレーザファイバ１２の開口数で屈折率１．４５のシ
リカ製クラッドと屈折率１．３８のコーティングを使用
した普通の光ファイバで０．４５程度である。上式に従
えば、マイクロレンズ１７で垂直方向のコリメーション
を行うことにより、大きなテーパを取れるようになる。

【００４９】上記光学カプラはカスケード状に配設する
ことができる。光学カプラをカスケード状に配設して、
１本の光ファイバに必要とされる導入光を分割して供給
することにより、供給部１カ所当たりの注入エネルギー
を小さくすることができる。注入エネルギーが小さけれ
ば励起光を発生するレーザダイオードアレイは小型でよ
く、また注入箇所におけるエネルギーの集中も緩和され
るため構造上の条件も緩くなって製造が容易になる利点
がある。

【００５０】図１１は、レーザファイバに励起光を加算
的に注入するために、光学カプラを直列に配設した状態
を示す模式図である。第１のレーザファイバ２２は第２
のレーザファイバ２３と融着して第１の接合部２４を形
成した後に分離して、再び下流で第２の接合部２４’を
形成する。マルチモードの光注入ファイバ２１，２１’
は第１接合部２４と第２接合部２４’にそれぞれ上流側
から介装され融着等で固定されている。接合部２４，２
４’では第１のレーザファイバ２２と第２のレーザファ
イバ２３のクラッド同士は互いに融着しているが、第１
レーザファイバ２２のコア２５と第２レーザファイバ２
３のコア２６は互いに融合することなくそれぞれのレー
ザファイバの中に把持されている。

【００５１】第１の光注入ファイバ２１から注入された
光は第１レーザファイバ２２と第２レーザファイバ２３
とに分割されて伝搬し、さらに第２の光注入ファイバ２
１’から注入される光を合体して増強されて下流に伝搬
していく。第１レーザファイバ２２と第２レーザファイ
バ２３は１本の連続したレーザファイバであって、レー
ザファイバをループ状に巻回して会合したところに光学
カプラを設けることにより、１カ所毎の励起光注入量は
小さくてもレーザファイバ全長に亘って集積された励起
光注入量が大きくなる。

【００５２】レーザファイバでレーザ発振をさせるため
には所定の閾値を超える光エネルギーを注入する必要が
ある。このエネルギーを１カ所で供給しようとすると出
力の拡張性が得られないので高出力化が困難である。

【００５３】図１２に表したファイバレーザ装置は、１
本のレーザファイバを多重のループに組んで形成したも
のである。レーザファイバ３２の一方の端点に反射鏡３
４が取り付けられ、他方の端点はレーザが放射されるレ
ーザ放出口３５となっている。レーザファイバ３２は適
当箇所で会合して融着し接合部３３を形成するが、コア
部分は接合部３３において融合することなく形状を保全
した状態で連続していて、反射鏡３４からレーザ放出口
３５まで光を伝搬できるようになっている。通常、レー
ザファイバ３２の全長は通常数ｍから数１００ｍの範囲
で使用される。

【００５４】図示しないレーザダイオードアレイから放
射される励起光を光学カプラ３１からレーザファイバ３
２に注入し、この励起光がレーザファイバ３２の中を伝
搬する間にコア中のレーザ活性物質を活性化して放出さ
れる光を集積してレーザ放出口３５から放射する。従っ
て、個々のレーザダイオードアレイの出力が小さくても
光学カプラの数が多ければ十分強いレーザ光を得ること
ができる。なお、同じ構成は、伝搬する信号光を増幅す
る光ファイバアンプに適用することもできることは言う
までもない。

【００５５】ポンピングレーザの吸収をαにするために
必要なファイバの全長Ｌはコア面積に対する接合部断面
積の割合で決まり、 Ｌ＝αｌ₁ｌ₂ ／σ₁₂Ｎ_Tπｒ² （４−ａ） から求められる。ここで、σ₁₂は吸収断面積、Ｎ_Tはレ
ーザ活性イオンの濃度である。一方、レーザファイバが
ループを形成している場合、αのポンピングレーザ吸収
を行わせるために必要なレーザファイバのループ長Ｌlo
opは、コア面積に対するダブルクラッドファイバの断面
積の比に基づいて、 Ｌloop＝αａ₁ａ₂ ／σ₁₂Ｎ_Tπｒ² （４−ｂ） なる関係式から求めることができる。

【００５６】上記のクラッドポンプ型結合部におけるパ
ワー密度増幅率Ｍcpは１個の端面注入型ダブルクラッド
ファイバの値より大きいためファイバ長が長くなるが、
本実施例のファイバレーザ装置ではファイバレーザの出
力を桁違いに大きくすることができる。

【００５７】以下に、レーザファイバをループ状に巻回
したファイバレーザ装置の１例における諸元を示す。レ
ンズダクトの入力側レンズ面の寸法は、ダイオードアレ
イの発光面の寸法（１０ｍｍ×１０ｍｍ）より若干大き
く１１ｍｍ×１１ｍｍとして、効率よく光ビームを入力
させると共にアライメントを容易にする。ｌ_1,minとｌ
_2,minは、式（３）に基づいてそれぞれ２．１３ｍｍと
０．２１３ｍｍになる。これらの限界値に近付くほど効
率が低下することを考慮して、接合部の寸法ｌ₁とｌ₂を
それぞれ４．０ｍｍと０．４０ｍｍにすると、レンズダ
クトの伝達効率ηductは約０．８５の値となる。

【００５８】また、ポンピングレーザの吸収係数αが２
０ｄＢ値で４．６１ｍ^-1、吸収断面積σ₁₂が２×１０
^-24ｍ²、レーザ活性イオンの濃度Ｎ_Tが４．４×１０²⁵
ｍ^-3すなわち２０００ｐｐｍとすると、式（４−ａ）か
らファイバ全長Ｌは４３ｍとなる。レーザファイバの形
状は比較的自由に選択でき、たとえば０．２ｍｍ×０．
４ｍｍの矩形断面を選択すれば式（４−ｂ）から各ルー
プの長さＬloopは２．１５ｍとなる。なお、ループに複
数の光学カプラが配設されている場合は、上記ループ長
Ｌloopはカプラ間の間隔を表す。このようなファイバレ
ーザ装置において１０００Ｗ出力のダイオードアレイを
用いることにより、出力４０４Ｗ、出力密度２０．６Ｍ
Ｗ／ｃｍ²のレーザビームを得ることができる。

【００５９】コア径を２５μｍから５μｍに変えるとフ
ァイバの必要長は１．０７ｋｍになり、製作費用が大き
くなるばかりでなく、バックグランド損失が大きくなっ
て結合部における伝達効率ηcpが小さくなるので、装置
の実用性がなくなる。このような場合は、接合部のテー
パ部形状を適当に選ぶことで、実用的な装置にできる場
合がある。たとえば、接合部のサイズを０．２５ｍｍ×
２．５ｍｍにすると必要なファイバ長は４１８ｍに減少
する。ただ、接合部の寸法はηductに影響を与えるの
で、大きな出力密度を必要とする場合はファイバ長とテ
ーパ部サイズの間で勘案して妥当な値を決めなければな
らない。

【００６０】

【実施例２】図１３は、本発明のファイバレーザ装置を
レーザ加工装置に適用したときの構成例を表したもので
ある。レーザファイバ４２の一方の端点に反射鏡４４が
取り付けられ、他方の端点はレーザ放出口４５となって
いて、レーザ放出口４５の先端には集束レンズ４７が設
けられている。レーザファイバ４２は多重ループを形成
し適当箇所に接合部を有し、接合部の上流から光学カプ
ラ４１が挿入固定されている。

【００６１】光学カプラ４１にはレーザダイオードアレ
イ４６から放射される励起光が供給され、光学カプラ４
１を介してレーザファイバ４２に注入される。この励起
光がレーザファイバ４２の中を伝搬する間にコア中のレ
ーザ活性物質を活性化して放出される光を集積してレー
ザ放出口４５から放射する。集束レンズ４７はレーザビ
ームを集光して加工対象物４８に照射し、必要なレーザ
加工を行う。レーザ加工装置はファイバレーザ装置で高
出力化されたレーザビームを用いて溶接や切断などを効
率よく実施する。

【００６２】

【実施例３】図１４は、本発明のファイバレーザ装置を
レーザプリンタに適用したときの構成例を表したもので
ある。レーザファイバ帯５２は複数のレーザファイバを
集束して帯状にしたもので、レーザファイバの１本ずつ
が独立していて末端に設けられた発光ダイオードアレイ
５４の素子毎に接続されている。レーザファイバ帯５２
はループを形成していてループが交差する位置で接合さ
れている。接合部には光学カプラ５１が融着されてい
て、光学カプラ５１にはレーザダイオードアレイ５６か
らの励起光が供給される。レーザファイバ帯５２のもう
一方の端にはプリンタヘッド５７が設備されている。プ
リンタヘッド５７はレーザファイバ毎に対応した集光レ
ンズを集積したもので、レーザビームの焦点が印刷用紙
５８の表面にくるように調整されている。

【００６３】印刷するパターンに対応した駆動信号が発
光ダイオードアレイ５４に与えられると、発光素子毎に
点滅しレーザファイバに光信号が注入される。レーザダ
イオードアレイ５６から注入された励起光によりレーザ
ファイバ中のレーザ活性物質が活性化されているので、
レーザファイバに注入された光信号はコアを伝搬する間
に増幅作用を受けて光強度を増し、プリンタヘッド５７
でさらに集束されて印刷用紙５８上に与えられたパター
ンを印刷する。このように構成されたレーザプリンタ
は、プリンタヘッド５７に繋がるレーザファイバ帯５２
の可撓性が大きいためプリンタヘッド５７が大きな印刷
用紙５８上の端から端までスムーズに移動することがで
きることから、小型から大型まで各種のプリンタとして
高速印刷が可能であり、また印刷面が大きい新聞などに
用いることができる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の光ファイバ
レーザは、光学カプラで導入する励起光に対するレーザ
効率が高く、しかもカスケード接続により励起光を加算
的に注入することができ、また光学カプラ部における漏
れ出しが少ないため、出力の小さいダイオードアレイを
用いても容易に高出力化でき、しかも構造上精密なアラ
イメントを必要としないからより容易に設計製造でき
る。したがって、本発明の光ファイバレーザを用いたレ
ーザ加工装置やレーザプリンタなどのレーザ装置はより
簡単に設計および製造ができ、かつ容易に必要な出力を
備えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバレーザの１実施例の概略構
成図である。

【図２】本実施例における光学カプラ部分の構成を表す
平面断面図である。

【図３】図２の光学カプラの動作原理を示す線図であ
る。

【図４】図２の光学カプラの態様を表す一部断面斜視図
である。

【図５】図２の光学カプラの別の態様を表す一部断面斜
視図である。

【図６】図２の光学カプラのさらに別の態様を表す断面
図である。

【図７】本実施例における励起光の供給方法の１例を示
す構成図である。

【図８】図７における光注入導波路部分の側面図であ
る。

【図９】図７における光注入導波路部分の平面図であ
る。

【図１０】図７のレーザファイバの断面を表す斜視図で
ある。

【図１１】本実施例に用いる光学カプラをカスケード接
続した状態を示す構成図である。

【図１２】本発明の光ファイバレーザの別の態様を説明
する構成図である。

【図１３】本発明のレーザ装置をレーザ加工装置として
実施したときの概念図である。

【図１４】本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用
した実施例の斜視図である。

【図１５】従来の光学カプラの作用を説明する概念図で
ある。

【符号の説明】

１ 光注入導波路 ２，２’ レーザファイバ ３，３’ コア ４ 接合部 ５ 反射鏡 ６ 放射口 ７ レーザファイバ同士の境界面 ８ レーザファイバ層と光注入ファイバの境界面 １１ 光注入導波路（レンズダクト） １２ レーザファイバ １３ 接合部 １４ 融着領域 １５ レンズ曲面 １６ ダイオードアレイ １７ 収束用マイクロレンズ ２１，２１’ 光注入ファイバ ２２，２３ レーザファイバ ２４，２４’ 接合部 ２５，２６ コア ３１ 光学カプラ ３２ レーザファイバ ３３ 接合部 ３４ 反射鏡 ３５ レーザ放出口 ４１ 光学カプラ ４２ レーザファイバ ４４ 反射鏡 ４５ レーザ放出口 ４６ レーザダイオードアレイ ４７ 集束レンズ ４８ 加工対象物 ５１ 光学カプラ ５２ レーザファイバ帯 ５４ 発光ダイオードアレイ ５６ レーザダイオードアレイ ５７ プリンタヘッド ５８ 印刷用紙

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ファイバ中にレーザ活性物質を含み、該
   レーザ活性物質を励起する励起光と前記レーザ活性物質
   に起因するレーザ光とを伝搬し、端部より前記レーザ光
   を出力するレーザファイバを備えた光ファイバレーザに
   おいて、 前記レーザファイバがコイル状に巻かれていて少なくと
   も１カ所で会合して接合された接合部を形成しており、 該接合部の少なくとも１カ所において、前記レーザファ
   イバが屈曲されていて該屈曲したレーザファイバの接線
   方向上流側表面に光注入導波路を光学的に接合して前記
   励起光を導入する光学カプラが形成されていることを特
   徴とする光ファイバレーザ。
2. 【請求項２】 前記光学カプラが、前記接合部に複数の
   レーザファイバが会合していて前記光注入導波路が該接
   合部の上流側からくさび状に介装されて光学的接合され
   たもので、前記光注入導波路の軸がほぼ前記レーザファ
   イバの接合面に来るように配設されていて、複数のレー
   ザファイバに励起光を注入することができることを特徴
   とする請求項１記載の光ファイバレーザ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の光ファイバレー
   ザと、該光ファイバレーザの一端に設けた反射鏡と、該
   光ファイバレーザの光学カプラに励起光を供給する励起
   光光源と、該光ファイバレーザより出力されるレーザ光
   を集光する集光手段とを備えることを特徴とするレーザ
   加工装置。
4. 【請求項４】 一端から他端まで連続する複数のレーザ
   ファイバを含む請求項１または２記載の光ファイバレー
   ザと、該光ファイバレーザの一端に設けて前記複数のレ
   ーザファイバに光信号を与える信号光源と、該光ファイ
   バレーザの光学カプラに励起光を供給する励起光光源
   と、該光ファイバレーザ装置より出力されるレーザ光を
   集光する集光手段とを備えることを特徴とするレーザプ
   リンタ。
5. 【請求項５】 ファイバ中に活性物質を含み、該活性物
   質を励起する励起光と信号光とを伝搬し、端部より増幅
   された前記信号光を出力するファイバを備えた光ファイ
   バアンプにおいて、 前記ファイバがコイル状に巻かれていて少なくとも１カ
   所で会合して接合された接合部を形成しており、 該接合部の少なくとも１カ所において、前記ファイバが
   屈曲されていて該屈曲したファイバの接線方向上流側表
   面に光注入導波路を光学的に接合して前記励起光を導入
   する光学カプラが形成されていることを特徴とする光フ
   ァイバアンプ。