JP2000307177A - レーザーダイオード励起ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザーダイオードの各発光領域から各々出力
するレーザー光が不均等となった場合においても、固体
レーザー媒体を均等性を保持したレーザー光によって励
起することのできるレーザーダイオード励起ユニットを
提供する。 【解決手段】複数の発光領域２からそれぞれ出射するレ
ーザー光を集光するマイクロレンズ１７と、各発光領域
２に個々に相対向する配置でマイクロレンズ１７に対設
され、マイクロレンズ１７で集光されたレーザー光が導
光される複数本の光ファイバ７と、各光ファイバ７を束
ねたファイババンドル８と同一径を有する単一の筒状体
であって、ファイババンドル８に対しレーザー光を導光
するよう光学的に連結されたシングルファイバ１８とを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーダイオー
ド励起型固体レーザー発振器における固体レーザー媒体
の励起源に用いられるレーザーダイオード励起ユニット
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体レーザー発振器としては、フ
ラッシュランプやアークランプを励起源として固体レー
ザー媒体を励起するランプ励起型のものに代わって、レ
ーザーダイオードから出力するレーザー光（固体レーザ
ー媒体の吸収波長を有している）を励起光として固体レ
ーザー媒体を励起するレーザーダイオード励起型のもの
が用いられるようになっている。これは、レーザーダイ
オード励起型固体レーザー発振器がランプ励起型固体レ
ーザー発振器と比較して、消費電力が少ない上に、ラン
プ交換などの面倒なメンテナンスが不要であり、また、
発振器全体を小型化できるなどの多くの利点を有してい
るからである。さらに、現在のレーザーダイオード励起
型固体レーザー発振器では、ＣＷ（連続波）40Ｗ出力の
レーザーダイオードが実用化されたのに伴って高出力化
が促進されており、今後益々多用されるものと思われ
る。

【０００３】上記のレーザーダイオード励起型固体レー
ザー発振器において、レーザーダイオードのレーザー光
よって固体レーザー媒体を励起する手段としては、レー
ザーダイオードから出射するレーザー光を一旦光ファイ
バに導光したのちに、光ファイバから出射するレーザー
光をコリメートレンズにより固体レーザー媒体に集光さ
せる方式が知られている（特開平5-93828 号公報参
照）。このレーザー光を光ファイバに導光する方式は、
損失が少なく、均一なエネルギ分布で、且つ小さなスポ
ット径で固体レーザー媒体を励起することができる特長
があることから、一般的に採用されている。このような
レーザー発振器における励起源として用いられているレ
ーザーダイオード励起ユニットについて、図４を参照し
ながら説明する。

【０００４】図４において、レーザーダイオード１は、
数10個（図では３個のみ例示）のエミッタ領域２がアレ
イ状に配列されてエミッタベース３に固定された構成を
有しており、エミッタベース３は例えば水などにより冷
却されている。エミッタ領域２から放出されるレーザー
光は、水平および垂直方向にそれぞれ一定の広がり角を
有して発光するが、この水平方向と垂直方向の各広がり
角は互いに異なる。すなわち、水平方向の広がり角が11
°程度であるのに対し、垂直方向の広がり角は35°程度
と大きい。そこで、垂直方向に広がる光成分のみは、レ
ンズとして機能するマルチモード光ファイバ４により集
光されたのちに、各光ファイバ７に導光される。

【０００５】上記の各光ファイバ７は、それぞれ各エミ
ッタ領域２に相対向して配置され、エミッタ領域２と同
一の大きさの断面形状を有している。各光ファイバ７
は、束ねられて、断面形状が約１ｍｍの径を有する円形
のファイババンドル８とされる。以上説明した構成がレ
ーザーダイオード励起ユニット１３である。このレーザ
ーダイオード励起ユニット１３におけるファイババンド
ル８の終端は、固体レーザー発振器の発振器本体を構成
するレーザーヘッド９のコネクタ１０に着脱自在に連結
される。レーザーヘッド９の内部では、ファイババンド
ル８から出射したレーザー光が集光レンズ１１によって
固体レーザー媒体１２に集光され、固体レーザー媒体１
２がレーザー光によって励起される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
レーザーダイオード励起ユニット１３では、ファイババ
ンドル８を構成する各光ファイバ７からそれぞれ出射す
るレーザー光によって固体レーザー媒体１２を励起する
ようになっており、各光ファイバ７が個々にエミッタ領
域２に相対向して配置されているから、各エミッタ領域
２からそれぞれ出射するレーザー光が各エミッタ領域２
の劣化や寿命によって個々に異なる状態になると、それ
に伴ってファイババンドル８の出力端におけるレーザー
光の出力分布が不均一に乱れてしまう。その結果、固体
レーザー媒体１２の励起状態が変化して、この固体レー
ザー媒体１２からの出力レーザー光の形状、つまりビー
ム出力およびビーム形状が共に変化してしまうという不
具合が生じる。

【０００７】そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑
みてなされたもので、レーザーダイオードの各エミッタ
領域から各々出力するレーザー光が不均一となっ場合に
おいても、固体レーザー媒体を均一性を保持したレーザ
ー光によって励起することのできるレーザーダイオード
励起ユニットを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体レーザー発振器における固体レーザ
ー媒体をレーザー光による光励起法によって励起するた
めのレーザーダイオード励起ユニットにおいて、複数の
発光領域がアレイ状の配置で形成されたレーザーダイオ
ードと、前記各発光領域から出射するレーザー光を集光
するマイクロレンズと、前記各発光領域に個々に相対向
する配置で前記マイクロレンズに対設され、前記マイク
ロレンズで集光されたレーザー光が導光される複数本の
光ファイバと、前記各光ファイバを束ねたファイババン
ドルと同一径を有する単一の筒状体であって、前記ファ
イババンドルに対しレーザー光を導光するよう光学的に
結合されたシングルファイバとを備えてなり、前記シン
グルファイバから出射するレーザー光を集光用光学系を
介して前記固体レーザー媒体に励起光として供給するよ
う構成されていることを特徴としている。

【０００９】このレーザーダイオード励起ユニットで
は、レーザーダイオードおける一般的に数10個存在する
発光領域のうちの何れかが劣化や寿命によりレーザー光
の出力が低下して、各発光領域からそれぞれ出射するレ
ーザー光にばらつきが生じた状態になった場合、各発光
領域から個々の光ファイバにそれぞれ導光された全ての
レーザー光が、単一の円筒状となったシングルファイバ
に一旦導光して混合されることにより、光進行方向に対
し直交する断面における光強度の分布がほぼ均一にな
る。したがって、このレーザーダイオード励起ユニット
では、固体レーザー媒体を常に均一な光強度の分布を有
するレーザー光により励起することができるから、固体
レーザー媒体は、入射光を所定のビーム出力およびビー
ム形状を有するレーザー光に増幅して出射する。

【００１０】上記発明のレーザーダイオード励起ユニッ
トにおけるマイクロレンズは、周端部にいくにしたがっ
て屈折率が徐々に大きくなるコア層を有するものを用い
ることが好ましい。

【００１１】これにより、レーザーダイオードの発光領
域から出射するレーザー光のうちの広がり角の大きな垂
直方向の光成分は、マイクロレンズの周端部にいくにし
たがって屈折率が大きくなるコア層を透過することによ
って平行光に変換するよう集光できるので、マイクロレ
ンズから各光ファイバへのレーザー光の結合効率が格段
に向上する。そのため、シングルファイバを介在させた
ことによる光学的な損失分は、マイクロレンズから各光
ファイバへのレーザー光の結合効率の向上によって十分
に補うことができ、シングルファイバを設けたことによ
る不具合は生じない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明
の一実施の形態に係るレーザーダイオード励起ユニット
を示す斜視図で、同図において、図４と同一のものには
同一の符号を付してある。このレーザーダイオード励起
ユニット１４は、レーザーダイオード励起型固体レーザ
ー発振器における固体レーザー媒体１２の励起源として
用いられるものであって、構成を大別すると、レーザー
ダイオード１、マイクロレンズ１７、複数本の光ファイ
バ７を束ねてなるファイババンドル８およびシングルフ
ァイバ１８とを有して構成されており、ファイババンド
ル８に対し一対の中継コネクタ１９，２０を介してシン
グルファイバ１８を接続したことを特長としている。

【００１３】レーザーダイオード１は、数10個（図では
３個のみ例示）のエミッタ領域２がアレイ状に配列され
てエミッタベース３に固定された構成を有している。エ
ミッタ領域２から放出されるレーザー光のうちの比較的
大きな広がり角で広がる垂直方向の光成分は、従来のマ
ルチモード光ファイバ４に代わる円筒状のマイクロレン
ズ１７により集光されたのちに、各光ファイバ７に導光
される。

【００１４】この実施の形態において用いるマイクロレ
ンズ１７は、図２に示すように、コア層１７ａの外周が
クラッド層１７ｂで覆われた円筒状を有しており、コア
層１７ａはその屈折率が周端部に向かって徐々に大きく
なる、いわゆるグラジッド・インデックス・コア（Grad
ed Index Core ）であり、クラッド層１７ｂはコア層１
７ａとは異なる一定の屈折率を有している。このような
マイクロレンズ１７としては、例えば、商品名「ドリッ
クレンズ」のものを用いる。また、このマイクロレンズ
１７は、その軸線がエミッタ領域２からのレーザー光の
放出方向に対し直交するように配置されている。したが
って、マイクロレンズ１７は、図２に示すように、光源
であるエミッタ領域２から出射したレーザー光のうちの
垂直方向に広がる光成分のみを、これを透過させること
によって平行光に変換する。

【００１５】ところで、上記マイクロレンズ１７に対
し、図４に示す従来のレーザーダイオード励起ユニット
１３にレンズとして用いられているマルチモード光ファ
イバ４は、比較のために示した図３（ａ）のように、コ
ア層４ａおよびクラッド層４ｂが共に一定の低い屈折率
を有したものであるから、エミッタ領域２から出射した
レーザー光の垂直方向に広がる光成分を平行光とするこ
とができず、集光性の悪いものである。そこで、図３
（ｂ）に示すように、屈折率の高いコア層４ａを有する
マルチモード光ファイバ４を用いた場合、コア層４ａの
外周部に入射する光成分はほぼ平行光とすることができ
るが、コア層４ａの中央部に入射する光成分は屈折され
過ぎてしまい、マルチモード光ファイバ４を透過した光
はやはり平行光とならない。

【００１６】上記の各光ファイバ７は、エミッタ領域２
と同一形状を有し、エミッタ領域２と同数だけ設けられ
て、それぞれ各エミッタ領域２に対し相対向するよう同
一間隔で配置されている。したがって、この各光ファイ
バ７には、相対向するエミッタ領域２からそれぞれ出射
したレーザー光が、マイクロレンズ１７で平行光になる
よう集光されたのちに、個々に導光される。各光ファイ
バ７は、束ねられて、断面形状が約１ｍｍの径を有する
円形のファイババンドル８になっており、ファイババン
ドル８の終端には中継コネクタ１９が取り付けられてい
る。

【００１７】シングルファイバ１８は、ファイババンド
ル８と同一の径を有する単一の筒状体であり、その光導
入側端部が中継コネクタ２０を介してファイババンドル
８の中継コネクタ１９に連結されていることにより、フ
ァイババンドル８に光結合している。また、シングルフ
ァイバ１８の光導出側端部は、これに取り付けられたコ
ネクタ２１をコネクタ１０に着脱自在に連結することに
より、レーザーヘッド９に連結されている。

【００１８】レーザー発振器本体を構成するレーザーヘ
ッド９では、シングルファイバ１８から出射したレーザ
ー光が集光レンズ１１により集光されたのちに固体レー
ザー媒体１２に入射する。これにより、固体レーザー媒
体１２は、入射したレーザー光によって励起されて入射
レーザー光をコヒーレントに増幅する。この増幅された
光ビームは、図示しない光共振器により正帰還されると
ともに、図示しない発振制御素子により発振波長や出力
波形などを制御され、固体レーザー媒体１２による利得
が光共振器内の全損失を上回ったときに、レーザー発振
が生じる。

【００１９】上記レーザーダイオード励起ユニット１４
では、数10個のエミッタ領域２のうちの何れかが劣化や
寿命によりレーザー光の出力が低下して、各エミッタ領
域２からそれぞれ出射するレーザー光にばらつきが生じ
た状態になっても、各エミッタ領域２から個々の光ファ
イバ７にそれぞれ導光された全てのレーザー光は、単一
の筒状体であるシングルファイバ１８内に一旦導光して
混合されることにより、光進行方向に対し直交する断面
における光強度の分布がほぼ均一になる。したがって、
固体レーザー媒体１２は、均一な光強度の分布を有する
レーザー光により励起されるから、入射光を所定のビー
ム出力およびビーム形状を有するレーザー光に増幅して
出射する。

【００２０】ところで、上記レーザーダイオード励起ユ
ニット１４では、励起光としてのレーザー光をファイバ
バンドル８からシングルファイバ１８に導光するときに
若干の光学的な損失が生じる。しかし、上記レーザーダ
イオード励起ユニット１４では、周端部にいくにしたが
って屈折率が大きくなるコア層１７ａを有するマイクロ
レンズ１７を用いて、エミッタ領域２から出射するレー
ザー光のうちの大きな広がり角の大きな垂直方向の光成
分を平行光に変換するよう集光しているので、マイクロ
レンズ１７から各光ファイバ７へのレーザー光の結合効
率が格段に向上している。これにより、シングルファイ
バ１８を介在させたことによる光学的な損失分は、マイ
クロレンズ１７から各光ファイバ７へのレーザー光の結
合効率の向上によって十分に補うことができ、シングル
ファイバ１８を設けたことによる不具合は生じない。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明のレーザーダイオー
ド励起ユニットによれば、レーザーダイオードの発光領
域から出射してマイクロレンズで集光されたのちに複数
本の光ファイバに導光されたレーザー光を、単一の筒状
体であるシングルファイバに一旦導光する構成としたの
で、レーザーダイオードおける一般的に数10個存在する
各発光領域からそれぞれ出射するレーザー光にばらつき
が存在する状態になった場合、各光ファイバの全てのレ
ーザー光がシングルファイバに一旦導光して混合される
ことにより、光進行方向に対し直交する断面における光
強度の分布がほぼ均一になるから、固体レーザー媒体を
常に均一な光強度の分布を有するレーザー光により励起
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザーダイオー
ド励起ユニットを示す斜視図。

【図２】同上励起ユニットにおけるマイクロレンズの光
学説明図。

【図３】（ａ），（ｂ）は同上マイクロレンズとの比較
のために示した従来のマルチモード光ファイバの光学説
明図。

【図４】従来のレーザーダイオード励起ユニットを示す
斜視図。

【符号の説明】

１ レーザーダイオード ２ エミッタ領域（発光領域） ７ 光ファイバ ８ ファイババンドル １１ 集光レンズ（集光用光学系） １２ 固体レーザー媒体 １４ レーザーダイオード励起ユニット １７ マイクロレンズ １７ａ コア層 １８ シングルファイバ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体レーザー発振器における固体レーザ
   ー媒体をレーザー光による光励起法によって励起するた
   めのレーザーダイオード励起ユニットにおいて、 複数の発光領域がアレイ状の配置で形成されたレーザー
   ダイオードと、 前記各発光領域から出射するレーザー光を集光するマイ
   クロレンズと、 前記各発光領域に個々に相対向する配置で前記マイクロ
   レンズに対設され、前記マイクロレンズで集光されたレ
   ーザー光が導光される複数本の光ファイバと、 前記各光ファイバを束ねたファイババンドルと同一径を
   有する単一の筒状体であって、前記ファイババンドルに
   対しレーザー光を導光するよう光学的に結合されたシン
   グルファイバとを備えてなり、 前記シングルファイバから出射するレーザー光を集光用
   光学系を介して前記固体レーザー媒体に励起光として供
   給するよう構成されていることを特徴とするレーザーダ
   イオード励起ユニット。
2. 【請求項２】 マイクロレンズは、周端部にいくにした
   がって屈折率が徐々に大きくなるコア層を有するもので
   ある請求項１に記載のレーザーダイオード励起ユニッ
   ト。