JP2001036168A - ファイバーレーザーおよびファイバーアンプ - Google Patents

ファイバーレーザーおよびファイバーアンプ

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JP2001036168A
JP2001036168A JP20681799A JP20681799A JP2001036168A JP 2001036168 A JP2001036168 A JP 2001036168A JP 20681799 A JP20681799 A JP 20681799A JP 20681799 A JP20681799 A JP 20681799A JP 2001036168 A JP2001036168 A JP 2001036168A
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laser
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core
laser beam
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Yoji Okazaki
洋二 岡崎
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Fujifilm Holdings Corp
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率良く高出力の青色領域や緑色領域のレー
ザービームを発生可能で、小型に形成することができる
ファイバーレーザーを得る。 【解決手段】 Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm
3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとPr
3+とが共ドープされたコアを持つファイバー13を、Ga
N系レーザーダイオード11によって励起する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Pr3+とそれ以外
の希土類元素とが共ドープされたコアを有するファイバ
ーを、レーザーダイオード(半導体レーザー)によって
励起してレーザービームを発生させるファイバーレーザ
ーに関するものである。
【0002】また本発明は、Pr3+とそれ以外の希土類
元素とが共ドープされたコアを有するファイバーをレー
ザーダイオードで励起して蛍光を生じさせ、ファイバー
に入射した光をこの蛍光によって増幅するファイバーア
ンプに関するものである。
【0003】
【従来の技術】例えば電子情報通信学会技報,LQE95-30
(1995)p.30や、Optics communications 86(1991)p.337
に示されるように、Pr3+が添加された弗化物系のコア
を有するファイバーをレーザーダイオードによって励起
してレーザービームを発生させるファイバーレーザーが
知られている。
【0004】また、同じく上記文献に示されるように、
Pr3+が添加されたコアを有するファイバーをレーザー
ダイオードによって励起して蛍光を生じさせ、この蛍光
の波長領域に含まれる光をファイバーに入射させて該蛍
光のエネルギーによって増幅するファイバーアンプが知
られている。
【0005】特に後者の文献には、Arレーザー励起の
Pr3+ドープファイバーレーザーが記載されており、47
6.5nm励起による491nm、520nm、605nm、635n
mの発振が確認されている。
【0006】一方、例えば本出願人による特願平9−1
10554号明細書には、Pr3+が添加された固体レー
ザー結晶をレーザーダイオードによって励起する固体レ
ーザーが記載されている。
【0007】ところで、上記のファイバーレーザーやフ
ァイバーアンプ、それに固体レーザーは、青色や緑色領
域のレーザービームを発生させたり、あるいは増幅する
ことが可能であるから、それらによって、カラー感光材
料にカラー画像を書き込むための光源を構成することも
考えられる。
【0008】しかし、上記Arレーザー励起のファイバ
ーレーザーやファイバーアンプは、カラー画像書き込み
等のために数W〜数10Wクラスのパワーで励起しようと
すると、水冷手段が必要となることから、装置の大型
化、低寿命、低効率の問題を招く。
【0009】一方、Pr3+が添加された固体レーザー結
晶をレーザーダイオードによって励起する固体レーザー
は、小さな固体レーザー結晶に励起光の熱エネルギーが
集中する構造であるため、該結晶の熱吸収による発熱や
熱レンズ効果によって、ビーム品質および出力の安定性
が損なわれるという問題が認められている。この問題
は、やはり、数W〜数10Wクラスのパワーで励起しよう
とする場合に特に顕著となる。
【0010】上記の事情に鑑みて本出願人は、特願平1
0−6370号において、効率良く高出力の青色領域や
緑色領域のレーザービームを発生可能で、小型に形成す
ることができ、しかも出力やビーム品質の安定性が高い
ファイバーレーザーを提案した。このファイバーレーザ
ーは、前述のPr3+が添加されたコアを持つファイバー
を、GaN系レーザーダイオードによって励起する構成
を有することを特徴とするものである。
【0011】また本出願人は、同じく特願平10−63
70号において、青色領域や緑色領域のレーザービーム
を効率良く増幅可能で、小型に形成することができ、し
かも出力やビーム品質の安定性が高いファイバーアンプ
も提案した。このファイバーアンプは、Pr3+が添加さ
れたコアを持つファイバーを、GaN系レーザーダイオ
ードによって励起し、該励起により生じる蛍光の波長領
域に含まれる波長の入射光を増幅する構成を有すること
を特徴とするものである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記特願平10−63
70号のファイバーレーザーおよびファイバーアンプ
は、所期の目的を達成するものであるが、ファイバーの
コアにおける励起光の吸収量が未だ十分ではなく、この
点に改善の余地が残されている。
【0013】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、GaN系レーザーダイオードによってコアを励
起するファイバーレーザーにおいて、コアでの励起光の
吸収量を大きくして、高効率化および高出力化を実現す
ることを目的とする。
【0014】また本発明は、GaN系レーザーダイオー
ドによってコアを励起するファイバーアンプにおいて、
コアでの励起光の吸収量を大きくして、増幅率を高める
ことを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明によるファイバー
レーザーは、Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、S
3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとP
3+とが共ドープされたコアを持つファイバーを、Ga
N系レーザーダイオードによって励起する構成を有する
ことを特徴とするものである。
【0016】なお、このファイバーレーザーにおいて
は、波長465 〜495 nmの青色領域のレーザービームを
発振させることもできるし、波長515 〜555 nmの緑色
領域のレーザービームを発振させることもできし、さら
には、波長600 〜660 nmの赤色領域のレーザービーム
を発振させることもできる。
【0017】また励起光源としてのGaN系レーザーダ
イオードは、より具体的には、例えばInGaN、In
GaNAsあるいはGaNAsからなる活性層を有する
ものを使用することができる。
【0018】一方、本発明によるファイバーアンプは、
Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm3+およ
びNd3+のうちの少なくとも1つとPr3+とが共ドープ
されたコアを持つファイバーを、GaN系レーザーダイ
オードによって励起し、該励起により生じる蛍光の波長
領域に含まれる波長の入射光を増幅する構成を有するこ
とを特徴とするものである。
【0019】このファイバーアンプにおいては、波長46
5 〜495 nmの青色領域の蛍光を発生させて、この領域
に含まれる波長の入射光を増幅することもできるし、波
長515 〜555 nmの緑色領域の蛍光を発生させて、この
領域に含まれる波長の入射光を増幅することもできる
し、さらには、波長600 〜660 nmの赤色領域の蛍光を
発生させて、この領域に含まれる波長の入射光を増幅す
ることもできる。
【0020】またこのファイバーアンプにおいても、励
起光源としてのGaN系レーザーダイオードは、より具
体的には、例えばInGaN、InGaNAsあるいは
GaNAsからなる活性層を有するものを使用すること
ができる。
【0021】
【発明の効果】Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm
3+、Pm3+およびNd3+は波長380 〜430 nmに吸収帯
があり、GaN系レーザーダイオードによって励起され
得る。そして、励起された電子をPr3+の励起準位(例
えば 30 もしくは 31 )にエネルギー移動し、下準
位に落とすことにより、Pr3+の発振ラインである青、
緑、赤色領域の発振が可能となる。
【0022】波長380 〜430 nmはGaN系レーザーダ
イオードが比較的発振しやすい波長帯であり、そして特
に波長400 〜410 nmは、現在提供されているGaN系
レーザーダイオードの最大出力が得られる波長帯である
ので、Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm
3+およびNd3+をGaN系レーザーダイオードによって
励起すれば、励起光の吸収量が大きくなり、高効率化お
よび高出力化が達成される。
【0023】一方、GaN系レーザーダイオードは熱伝
導係数が130 W/m℃と、ZnMgSSe系レーザーダ
イオードの4W/m℃等と比べて極めて大きい。またそ
れに加えて、転移の移動度もZnMgSSe系レーザー
ダイオードと比べて非常に小さいことから、COD(カ
タストロフィック・オプティカル・ダメージ)が非常に
高く、高寿命、高出力が得やすいものである。このよう
に高寿命、高出力が得やすいGaN系レーザーダイオー
ドを励起光源として用いたことにより、本発明のファイ
バーレーザーは、高寿命で、高出力の青色や緑色領域の
レーザービームを発生可能となる。
【0024】なお励起光源であるGaN系レーザーダイ
オードとしては、単一縦、横モード型のものを使用でき
ることは勿論、その他ブロードエリア型、フェーズドア
レー型、あるいはMOPA型の高出力タイプのものを1
個または複数個使用することもできる。そのようにする
ことにより本発明のファイバーレーザーは、さらなる高
出力、例えばW(ワット)クラスの高出力を得ることも
可能である。
【0025】また、それに加えて本発明のファイバーレ
ーザーは、非線形光学結晶やエタロン等を必要とするも
のではないから、それらによるロスがなく、したがって
高効率で青色や緑色領域のレーザービームを発生可能と
なる。具体的には、50%以上のスロープ効率を得ること
も可能である。そしてこのように非線形光学結晶やエタ
ロン等を必要としないことから、本発明のファイバーレ
ーザーは光学部品が少なくて簡潔な構成となり、そして
温度安定領域も広いものとなる。したがって本発明のフ
ァイバーレーザーは、低コストで、安定性の高い光源と
なり得るものである。
【0026】以上説明した全ての効果は、本発明のファ
イバーアンプにおいても同様に得られるものである。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【0028】<第1実施形態>図1は、本発明の第1の
実施形態によるファイバーレーザーを示すものである。
このファイバーレーザーは、励起光としてのレーザービ
ーム10を発するレーザーダイオード11と、発散光である
レーザービーム10を集光する集光レンズ12と、Pr3+
よびEr3+が共ドープされたコアを持つファイバー13と
からなる。
【0029】レーザーダイオード11としては、発振波長
410nmのブロードエリア型のInGaN系レーザーダ
イオードが用いられている。
【0030】またファイバー13は図2に断面形状を示す
ように、断面正円形のコア20と、その外側に配された断
面ほぼ矩形の第1クラッド21と、その外側に配された断
面正円形の第2クラッド22とからなる。コア20はPr3+
およびEr3+が共ドープされたZr系弗化物ガラス、例
えばZBLANP(ZrF4−BaF2−LaF3−Al
3−AlF3−NaF−PbF2)からなり、第1クラ
ッド21は一例としてZBLAN(ZrF4−BaF2−L
aF3−AlF3−NaF)からなり、第2クラッド22は
一例としてポリマーからなる。
【0031】なおコア20は上記ZBLANPに限らず、
ZBLANや、In/Ga系弗化物ガラス、例えばIG
PZCLすなわち(InF3−GaF3−LaF3)−
(PbF2−ZnF2)−CdF等を用いて形成されても
よい。
【0032】集光レンズ12により集光された波長410n
mのレーザービーム10は、上記ファイバー13の第1クラ
ッド21に入力され、そこを導波モードで伝搬する。つま
りこの第1クラッド21は、励起光であるレーザービーム
10に対してはコアとして作用する。
【0033】レーザービーム10は、このように伝搬する
間にコア20の部分も通過する。コア20においては、入射
したレーザービーム10によってEr3+が励起され、励起
された電子がPr3+の励起準位にエネルギー移動し、下
準位に落ちることにより、Pr3+の1つの発振線である
波長491 nmの蛍光が生じる。この蛍光はコア20を導波
モードで伝搬する。なお、この場合の遷移は 30 3
4 と考えられる。
【0034】ZBLANPからなるコア20においては、
その他に、 31 35 の遷移によるものと考えられ
る波長520nmの蛍光、 30 32 の遷移によるも
のと考えられる波長605nmの蛍光、 30 33
遷移によるものと考えられる635nmの蛍光が発生し得
る。
【0035】そこで、ファイバー13の入射端面13aに
は、波長491 nmに対してHR(高反射)、波長520n
m、605nm、635nm並びに励起光波長410nmに対し
てAR(無反射)となる特性のコートが施され、ファイ
バー13の出射端面13bには、波長491 nmの光を1%だ
け透過させるコートが施されている。
【0036】それにより、上記波長491 nmの蛍光はフ
ァイバー13の両端面13a、13b間で共振して、レーザー
発振を引き起こす。こうして波長491 nmの青緑色のレ
ーザービーム15が発生し、このレーザービーム15はファ
イバー13の出射端面13bから前方に出射する。
【0037】なお本例では、レーザービーム15はコア20
においてシングルモードで、一方励起光であるレーザー
ビーム10は第1クラッド21においてマルチモードで伝搬
する構成とされている。それにより、高出力のブロード
エリア型レーザーダイオード11を励起光源に適用して、
レーザービーム10を高い結合効率でファイバー13に入力
させることが可能となっている。
【0038】また、第1クラッド21の断面形状がほぼ矩
形とされているため、レーザービーム10がクラッド断面
内で不規則な反射経路を辿り、コア20に入射する確率が
高められている。
【0039】それに加えて波長410 nmは、InGaN
系レーザーダイオード11の最大出力が得られる波長帯に
あるので、コア20における波長410 nmのレーザービー
ム10の吸収量が大きくなり、高効率化および高出力化が
達成される。具体的に本実施形態においては、ファイバ
ー13の長さが0.5mのとき、出力2Wのレーザーダイオ
ード11を用いて、出力300mWの青緑色のレーザービー
ム15を得ることができた。
【0040】それに対して、Pr3+およびEr3+を共ド
ープする代わりにPr3+のみをドープしたコアを持つフ
ァイバーを用い、励起光源として発振波長444 nmのレ
ーザーダイオードを用い、それ以外はこの第1実施形態
と同様の構成とした場合、青緑色レーザービームの出力
は 100mWにとどまった。なおこの場合、発振波長410
nmのInGaN系レーザーダイオードを用いる第1実
施形態のように高い励起光出力を得るのは困難であり、
具体的に励起光出力は1Wであった。
【0041】<第2実施形態>図3は、本発明の第2の
実施形態によるファイバーレーザーを示すものである。
このファイバーレーザーは図1のファイバーレーザーと
比べると、ファイバー13に代えて、両端面のコートが異
なるファイバー33が用いられている点が基本的に異なる
ものである。
【0042】すなわちこの図3のファイバーレーザーに
おいて、ファイバー33の入射端面33aには、波長52
0nmに対してHR(高反射)、波長491nm、605n
m、635nm並びに励起光波長410nmに対してAR(無
反射)となる特性のコートが施され、ファイバー33の出
射端面33bには、波長520nmの光を2%だけ透過させ
るコートが施されている。
【0043】それにより、上記波長520nmの蛍光はフ
ァイバー33の両端面33a、33b間で共振して、レーザー
発振を引き起こす。このようして波長520nmの緑色の
レーザービーム35が発生し、このレーザービーム35はフ
ァイバー33の出射端面33bから前方に出射する。本実施
形態では、ファイバー33の長さが1m、レーザーダイオ
ード11の出力が2Wのとき、出力500mWのレーザービ
ーム35が得られた。
【0044】<第3実施形態>図4は、本発明の第3の
実施形態によるファイバーレーザーを示すものである。
このファイバーレーザーも図1のファイバーレーザーと
比べると、ファイバー13に代えて、両端面のコートが異
なるファイバー43が用いられている点が基本的に異なる
ものである。
【0045】すなわちこの図4のファイバーレーザーに
おいて、ファイバー43の入射端面43aには、波長635n
mに対してHR(高反射)、波長491nm、520nm、60
5nm並びに励起光波長410nmに対してAR(無反射)
となる特性のコートが施され、ファイバー43の出射端面
43bには、波長635nmの光を3.5%だけ透過させるコー
トが施されている。
【0046】それにより、上記波長635nmの蛍光はフ
ァイバー43の両端面43a、43b間で共振して、レーザー
発振を引き起こす。このようして波長635nmの赤色の
レーザービーム45が発生し、このレーザービーム45はフ
ァイバー43の出射端面43bから前方に出射する。本実施
形態では、ファイバー43の長さが1m、レーザーダイオ
ード11の出力が2Wのとき、出力1Wのレーザービーム
45が得られた。
【0047】<第4実施形態>図5は、本発明の第4の
実施形態によるファイバーアンプを示すものである。こ
のファイバーアンプは、励起光としての波長410nmの
レーザービーム10を発するレーザーダイオード11と、発
散光であるレーザービーム10を平行光化するコリメータ
ーレンズ50と、平行光となったレーザービーム10を集光
する集光レンズ51と、Pr3+およびEr3+が共ドープさ
れたコアを持つファイバー53とを有している。
【0048】またコリメーターレンズ50と集光レンズ51
との間には、ビームスプリッタ52が配されている。そし
てこのビームスプリッタ52の図中下方には、波長520n
mのレーザービーム55を発するSHG(第2高調波発
生)レーザー56が配設されている。このレーザービーム
55はコリメーターレンズ57によって平行光化され、平行
光となったレーザービーム55は上記ビームスプリッタ52
に入射する。
【0049】ファイバー53は、基本的には図1に示され
たものと同様の構成を有するが、その端面53aおよび53
bには、以上述べた各波長に対してAR(無反射)とな
る特性のコートが施されている。
【0050】一方SHGレーザー56は、基本波光源とし
てのDBR(分布ブラッグ反射型)レーザーダイオード
から発せられた波長1040nmのレーザービームを、周期
ドメイン反転構造を有する非線形光学材料からなる光導
波路に入射させて、1/2の波長つまり520nmのレー
ザービーム55を得るものである。
【0051】このレーザービーム55はビームスプリッタ
52で反射して、レーザービーム10とともにファイバー53
に入射する。ファイバー53においては、第1実施形態で
説明した通り、レーザービーム10により励起されて波長
520nmの蛍光が生じる。レーザービーム55は、それと
同波長の上記蛍光からエネルギーを受けて増幅され、フ
ァイバー53の出射端面53bから前方に出射する。
【0052】本実施形態では、SHGレーザー56の出力
が10mWのとき、ファイバー53から出力500mWのレー
ザービーム55を取り出すことができた。
【0053】なお、SHGレーザー56の基本波光源であ
る上記DBRレーザーダイオードに変調機能を付加させ
ることにより、ファイバー53から増幅して取り出される
レーザービーム55を変調することも可能である。
【0054】以上、InGaN系レーザーダイオードを
励起光源とする実施形態について説明したが、InGa
NAs系材料あるいはGaNAs系材料から活性層を構
成したレーザーダイオードを励起光源として用いること
も可能である。特に、ファイバーコアの吸収帯が長波長
側にずれている場合は、InGaN系レーザーダイオー
ドと比べてより長波長化が実現しやすいInGaNAs
系あるいはGaNAs系レーザーダイオードを用いるの
が望ましく、それにより吸収効率を向上させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態によるファイバーレーザ
ーを示す概略側面図
【図2】図1のファイバーレーザーに用いられたファイ
バーの断面図
【図3】本発明の第2実施形態によるファイバーレーザ
ーを示す概略側面図
【図4】本発明の第3実施形態によるファイバーレーザ
ーを示す概略側面図
【図5】本発明の第4実施形態によるファイバーアンプ
を示す概略側面図
【符号の説明】
10 レーザービーム(励起光) 11 InGaN系レーザーダイオード 12 集光レンズ 13 ファイバー 13a、13b ファイバーの端面 15 レーザービーム 20 コア 21 第1クラッド 22 第2クラッド 33 ファイバー 33a、33b ファイバーの端面 35 レーザービーム 43 ファイバー 43a、43b ファイバーの端面 45 レーザービーム 50 コリメーターレンズ 51 集光レンズ 52 ビームスプリッタ 53 ファイバー 53a、53b ファイバーの端面 55 レーザービーム 56 SHGレーザー 57 コリメーターレンズ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm
    3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとPr
    3+とが共ドープされたコアを持つファイバーを、GaN
    系レーザーダイオードによって励起する構成を有するこ
    とを特徴とするファイバーレーザー。
  2. 【請求項2】 465 〜495 nmの波長領域のレーザービ
    ームを発振させることを特徴とする請求項1記載のファ
    イバーレーザー。
  3. 【請求項3】 515 〜555 nmの波長領域のレーザービ
    ームを発振させることを特徴とする請求項1記載のファ
    イバーレーザー。
  4. 【請求項4】 600 〜660 nmの波長領域のレーザービ
    ームを発振させることを特徴とする請求項1記載のファ
    イバーレーザー。
  5. 【請求項5】 前記GaN系レーザーダイオードが、I
    nGaN、InGaNAsあるいはGaNAsからなる
    活性層を有するものであることを特徴とする請求項1か
    ら4いずれか1項記載のファイバーレーザー。
  6. 【請求項6】 Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm
    3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとPr
    3+とが共ドープされたコアを持つファイバーを、GaN
    系レーザーダイオードによって励起し、該励起により生
    じる蛍光の波長領域に含まれる波長の入射光を増幅する
    構成を有することを特徴とするファイバーアンプ。
  7. 【請求項7】 465 〜495 nmの波長領域の蛍光を発生
    させて、この領域に含まれる波長の入射光を増幅するこ
    とを特徴とする請求項6記載のファイバーアンプ。
  8. 【請求項8】 515 〜555 nmの波長領域の蛍光を発生
    させて、この領域に含まれる波長の入射光を増幅するこ
    とを特徴とする請求項6記載のファイバーアンプ。
  9. 【請求項9】 600 〜660 nmの波長領域の蛍光を発生
    させて、この領域に含まれる波長の入射光を増幅するこ
    とを特徴とする請求項6記載のファイバーアンプ。
  10. 【請求項10】 前記GaN系レーザーダイオードが、
    InGaN、InGaNAsあるいはGaNAsからな
    る活性層を有するものであることを特徴とする請求項6
    から9いずれか1項記載のファイバーアンプ。
JP20681799A 1999-07-21 1999-07-21 ファイバーレーザーおよびファイバーアンプ Pending JP2001036168A (ja)

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