JP2002237637A

JP2002237637A - ファイバレーザ装置

Info

Publication number: JP2002237637A
Application number: JP2001032917A
Authority: JP
Inventors: Naoki Akamatsu; 直樹赤松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】励起光吸収に必要なファイバ長を短くしつ
つ、励起光の利用効率を上げるファイバレーザ装置を提
供する。【解決手段】ダブルクラッド構造の光ファイバ１０２
の入射部から距離Ｌ１離れた位置における内側クラッド
構造のパラメータを圧迫素子１０３により変動させるこ
とにより、光ファイバ１０２の内側クラッド１０２ｂ外
周に小さな曲がりが生じることで、励起光強度分布が変
化し、吸収が再度高い値となり、光ファイバ１０２の長
さが短くても励起光の利用効率を上げることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コアにレーザ活性物
質を添加したダブルクラッドファイバを使用したファイ
バレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、1層のクラッドと希
土類イオンなどレーザ活性物質を添加したコアを持つフ
ァイバで構成されたファイバレーザがある。これは、フ
ァイバ両端に反射素子を置いたり、リング状に構成され
た共振器構造に、レーザ活性物質が反応する励起波長の
光を入射して励起し、所望波長のレーザ発振をさせてフ
ァイバ端から取り出すというものである。

【０００３】従って、励起波長および発振波長の光はと
もにファイバのコアおよびその周辺に閉じ込められる。
励起光を出力する光源としては、半導体レーザダイオー
ドなどがある。この構造で高い励起光を入力しようとす
る場合、小さい径のコア部に励起光を入射することが困
難になる。

【０００４】この課題を解決する構成として、ダブル
（２重）クラッドファイバを用いたファイバレーザがオ
プトロニクス社発行、須藤昭一編「エルビウム添加光フ
ァイバ増幅器」に紹介されている。

【０００５】これは、希土類イオンなどレーザ活性物質
を添加したコアと、コアの外周を内側クラッドで囲み、
さらに内側クラッドの外周を外側クラッドで囲んでいる
構造の光ファイバを用いたファイバレーザである。屈折
率は、高い順でコア、内側クラッド、外側クラッドとし
ており、内側クラッドと外側クラッドとの屈折率差が大
きい構成である。また、コア径に比べて内側クラッド径
を大きくしている。また、半導体レーザダイオードと結
合しやすいよう内側クラッドを四角い形状としている。

【０００６】内側クラッドに励起光を入射すると、励起
光は内側クラッド（およびコア）をコア領域、外側クラ
ッドをクラッド領域としたマルチモード導波路構造のコ
ア領域に強く閉じ込められ、コア領域の一部であるコア
における励起光強度でレーザ活性物質を励起することに
なる。以下の説明では、このマルチモード導波路に関す
る励起波長についてのモードを、クラッドモードと呼ぶ
ことにする。

【０００７】一方、レーザ活性物質が放射する発振させ
たい波長の光はコアをコア領域、内側クラッドをクラッ
ド領域とした通常シングルモードの導波路構造のコア領
域とその近傍に閉じ込められる。従って、コアでなくよ
り広い面積の内側クラッドに励起光を入射すればよいの
で、高い励起光入力ひいては高いレーザ出力を得ること
が容易となる。

【０００８】ところが、上記したダブルクラッドファイ
バを用いた従来のファイバレーザでは、励起光にとって
のコア領域であるコアと内側クラッドのうち、励起光を
吸収するレーザ活性物質がコア部分にのみ添加されてい
るので、伝搬に連れてコア部分の励起光強度が低下する
一方、内側クラッド部分の励起光強度は高いという中抜
け状の強度分布となる。中抜けとなった強度分布の概略
図を図１３に示す。この現象は、H.Zellmerらによる”V
isible double-clad upconversion fiber laser”, Ele
ctronics Letters, Vol.34, No.6 PP.565-567でも示さ
れている。

【０００９】このように、内側クラッド部分の励起光が
レーザ発振に寄与せず素通りし無駄になるという課題が
あった。また、逆に励起光の利用率を上げるためにはフ
ァイバ長が必要だったり、ファイバ長さ方向についての
励起光強度の分布が著しく不均一でレーザ発振条件を悪
化させたりする課題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のファイ
バレーザ装置では、内側クラッド部分の励起光が無駄に
なったり、励起光の利用率を上げるにはレーザ発振条件
を悪化させたりする問題があった。

【００１１】この発明は、励起光吸収に必要なファイバ
長を短くしつつ、励起光の利用効率を上げるファイバレ
ーザ装置を提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、この発明のファイバレーザ装置では、所定波長
の光で励起可能なレーザ活性物質が添加されているコア
と、前記コアの外周を取り囲む内側クラッドと、内側ク
ラッドの外周を取り囲む外側クラッドからなるダブルク
ラッド構造の光ファイバと、前記所定波長の光を発する
光源と、前記光ファイバの入射部から所定距離離れた位
置における内側クラッド構造のパラメータを変動させる
パラメータ変動手段とからなることを特徴とする。

【００１３】上記した手段により、励起光吸収に必要な
ファイバ長を短くしつつ、励起光の利用効率を上げるフ
ァイバレーザ装置を得ることが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、励
起光の入射方法や共振器の構成方法、レーザ光の出力方
法には様々あるが、この発明の各実施の形態の説明で
は、図面左方から励起光を入射し、図面右方でレーザ光
を出力する形態を挙げて説明し、図示しない励起光源と
しては半導体レーザダイオードを使用するものとする。

【００１５】図１は、この発明の第１の実施の形態につ
いて説明するための説明図である。図１において、ファ
イバ主要部１０１は、ダブルクラッド構成の光ファイバ
１０２と圧迫素子１０３からなっている。光ファイバ１
０２の図面上左端から光ファイバ１０２の内側クラッド
へと励起光が入射される。

【００１６】光ファイバ１０２は、図２の断面で示した
ように、コア１０２ａの外周を内側クラッド１０２ｂが
囲み、さらに内側クラッド１０２ｂの外周を外側クラッ
ド１０２ｃが囲む構造になっている。実際にはさらに樹
脂などによる保護層が外側クラッド１０２ｃを囲む形態
とする場合もあるが省略する。このときコア１０２ａ、
内側クラッド１０２ｂ、外側クラッド１０２ｃのそれぞ
れの屈折率はｎ１，ｎ２，ｎ３とすると、ｎ１＞ｎ２≫
ｎ３の関係にしてある。

【００１７】入射光は、内側クラッド１０２ｂとコア１
０２ａにほぼ均一あるいはコア中央部にピークのある強
度分布である。この強度分布はたくさんのクラッドモー
ドの電界分布が重ね合わさった結果である。従来例で説
明したとおり、ダブルクラッドの光ファイバ１０２の励
起光入射側から遠ざかるに連れて、励起光のレーザ活性
物質による吸収が低下する。すなわち、コア部の励起光
強度が低下して、中抜け状の強度分布となる。

【００１８】そこで、この実施の形態では励起光吸収が
低下しているが内側クラッド１０２ｂに存在する励起光
パワーが大きい距離Ｌ１の位置に圧迫素子１０３を光フ
ァイバ１０２に装着している。

【００１９】図３に示すように、圧迫素子１０３はそれ
ぞれ波状の凹凸のある１対の金属片１０３ａ，１０３ｂ
からなっており、凹凸面に光ファイバ１０２を挟み強く
圧迫できるようになっている。この圧迫により、内側ク
ラッド１０２ｂ外周に小さな曲がり（マイクロベンディ
ング）が生じることで、励起光強度分布が変化し、吸収
が再度高い値となる。

【００２０】存在するクラッドモードのうち、高次モー
ド成分は、屈折率ｎ２とｎ３臨界角との余裕が小さいた
め、曲がりによって放射損失になり易い。しかし、この
実施の形態では図１に示すように、距離Ｌ１まで導波路
構造に手を加えないため、高次モード成分も伝搬に連れ
て吸収されるので、放射損失は最低限に抑えられる効果
がある。

【００２１】この距離Ｌ１の位置に圧迫素子１０３を装
着した場合（実線）と装着しない場合（破線）のそれぞ
れ距離対ファイバに残っている励起光パワーの総和の関
係を図４に示す。この右下がりの曲線は、入射光強度Ｉ
ｏと透過強度Ｉとの関係式Ｉ＝Ｉｏexp（−αｄ）（ｄ：透過距離、α：吸
収係数）で示す、Lambert-Beerの法則での実効的な吸収係数αが
定数でなく右に行くにしたがって低下している。しか
し、圧迫素子１０３装着により吸収係数が高まることを
示している。なお、圧迫素子を単独目的で設けて説明し
たが、固定保持、放熱などの目的と兼ねてもよい。

【００２２】図５は、この発明の第２の実施の形態につ
いて説明するための説明図である。図１の実施の形態と
同様にダブルクラッド構成の光ファイバ１０２を含むダ
ブルクラッドファイバ部２０１について説明する。な
お、同一部分については同一符号を付して、その説明を
省略する。

【００２３】光ファイバ１０２は、直径１０数ｃｍ以上
の大きな円筒ボビン２０２ａ〜２０２ｃと直径１０ｃｍ
以下の小さな円筒ボビン２０３に巻き付けている。大き
な半径の曲げに比べ、小さな半径の曲げの方が伝搬モー
ドを変化させる効果が大きい。

【００２４】この実施の形態では、入射部からの距離Ｌ
１の位置に小さな円筒ボビン２０３を配置し、このボビ
ン２０３に光ファイバ１０２を、複数回強く巻いて中抜
け状の強度分布を変化させている。

【００２５】図６は、この発明の第３の実施の形態につ
いて説明するための説明図である。ダブルクラッド構成
の光ファイバ１０２を含むファイバ主要部３０１につい
て説明する。この実施の形態は、励起光入力側から距離
Ｌ１の位置に、光コネクタ３０２を装着した点が図１の
構成と異なる。図７に、光コネクタ３０２の構造を図７
に示す。

【００２６】光コネクタ３０２はコア３０２ａ、内側ク
ラッド３０２ｂ、外側クラッド３０２ｃがそれぞれ光フ
ァイバ１０２のコア１０２ａ、内側クラッド１０２ｂ、
外側クラッド１０２ｃに対応して、それぞれ等しい屈折
率を有している。このためフレネル反射による損失を最
低限に抑えている。また、フェルール３０２ｄが光ファ
イバ１０２の外側クラッド外形に合致するよう形成され
ており、位置合わせ不要で接続できる。コア３０２ａは
光ファイバ１０２のコア１０２ａと異なり、レーザ活性
物質を添加しなくてよい。

【００２７】内側クラッド３０２ｂの外形が位置により
変化しているので、第１の実施の形態と同様の励起光強
度分布変化を生じることになる。従って、光コネクタ３
０２が出力する先のファイバコア１０２ａの励起光強度
を高め吸収が進む効果がある。

【００２８】図８は、この発明の第４の実施の形態につ
いて説明するための説明図である。ダブルクラッド構成
の光ファイバ４０２を含むファイバ主要部４０１につい
て説明する。この実施の形態は励起光入力側から距離Ｌ
１の位置に内側クラッドの屈折率を変調した領域４０３
を持たせたものである。

【００２９】この実施の形態で使用する光ファイバ４０
２は、屈折率変調領域４０３付近の長さ方向を断面図で
示した図９に示すように、コア４０２ａ、内側クラッド
４０２ｂ、外側クラッド４０２ｃから構成されている。
屈折率の関係や半径の関係はダブルクラッドの光ファイ
バ１０２と同様の特性である。内側クラッド４０２ｂ
は、ファイバ製作後に紫外光を照射して誘起屈折率変化
を得られるゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されたシリカガ
ラスで作られている。なお、この技術はファイバブラッ
ググレーティング製作でも用いられている既存技術であ
る。

【００３０】図９の下部に長さ方向に関する内側クラッ
ド４０２ｂの屈折率変調領域４０３とその近傍に持たせ
る屈折率変化の一例を示す。また、屈折率変調領域４０
３をグレーティングとし、位置Ｌ１にて強く残存してい
るクラッドモードを他のクラッドモードに結合させても
よい。

【００３１】このように、内側クラッド４０２ｂに屈折
率変化を持たせたので、励起光強度分布を変化させるこ
とができ、コア４０２ａの励起光強度が高くなるのでコ
アでの励起光吸収が進むことになる。

【００３２】図１０は、この発明の第５の実施の形態に
ついて説明するための説明図である。ダブルクラッド構
造の導波路５０２を含むダブルクラッド主要部５０１に
ついて説明する。

【００３３】この実施の形態は、第１の励起光入力ｉｎ
１から距離Ｌ１の位置に分岐部５０３を設け、さらに分
岐部５０３から距離Ｌ２の位置に分岐部５０４を設けた
もので、各分岐部５０３、５０４はそれぞれ別光源によ
る第2の励起光入力ｉｎ２、第３の励起光入力ｉｎ３と
して使用する構成である。

【００３４】分岐部５０３は、長さ方向の断面を示した
図１１のように、導波路５０２の構成のうち、コア５０
２ａを取り去った導波路、すなわち、内側クラッド５０
２ｂと外側クラッド５０２ｃからなる構造となってい
る。分岐部５０４も同様の構成である。

【００３５】分岐部５０３や分岐部５０４では、内側ク
ラッド５０２ｂの形状が変化しているのでモード変換が
生じる。従って、中抜けした励起光強度分布に比べて、
コア５０２ａ内の励起光強度が上がるので吸収が進む効
果がある。

【００３６】図１２に、第１の励起光入力ｉｎ１からの
距離対励起光残存パワーの関係を示す。距離Ｌ１，Ｌ２
で励起光がさらに入力されているため残存パワーは増加
する。距離Ｌ１，Ｌ２での励起光を入射しなかった場合
を破線で示す。すなわち、励起光強度分布を変化させて
吸収を高める手段と、励起光をさらに入射するという手
段を兼用できる。

【００３７】上記の説明では円形の断面形状の内側クラ
ッドを用いて説明してきたが、これに限らず、四角形な
ど他の形状でも同様である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のファイ
バレーザ装置によれば、励起光の利用効率を上げたり、
励起光吸収に必要なファイバ長を短縮したりする効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態について説明する
ための説明図。

【図２】図１に用いる光ファイバの断面図。

【図３】図１の圧迫素子と光ファイバとの関係を説明す
る断面図。

【図４】光ファイバの励起光入射側からの距離と励起光
残存パワーの関係について説明するための説明図。

【図５】この発明の第２の実施の形態について説明する
ための説明図。

【図６】この発明の第３の実施の形態について説明する
ための説明図。

【図７】図６の光コネクタを説明するための長さ方向の
断面図。

【図８】この発明の第４の実施の形態について説明する
ための説明図。

【図９】図８の屈折率変調領域部と光ファイバについて
説明するための長さ方向の断面図。

【図１０】この発明の第５の実施の形態について説明す
るための説明図。

【図１１】図１０の光ファイバと分岐部について説明す
るための長さ方向の断面図。

【図１２】図１０の励起光入力ｉｎ１からの距離と励起
光残存パワーの関係について説明するための説明図。

【図１３】従来のダブルクラッドファイバ装置による課
題について説明するための説明図。

【符号の説明】

１０２，４０２…ダブルクラッドファイバ、１０２ａ，
３０２ａ，４０２ａ…コア、１０２ｂ，３０２ｂ，４０
２ｂ…内側クラッド、１０２ｃ，３０２ｃ，４０２ｃ…
外側クラッド、１０３…圧迫素子、２０２ａ〜２０２
ｃ，２０３…円筒ボビン、３０２…光コネクタ、３０２
ｄ…フェルール、４０３…屈折率変調領域部、５０２…
光導波路、５０２ａ…光導波路コア、５０２ｂ…光導波
路内側クラッド、５０２ｃ…光導波路外側クラッド、５
０３，５０４…分岐部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長の光で励起可能なレーザ活性物質
が添加されているコアと、前記コアの外周を取り囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周を取り囲む外側クラッドからなるダ
ブルクラッド構造の光ファイバと、前記所定波長の光を発する光源と、前記光ファイバの入射部から所定距離離れた位置におけ
る内側クラッド構造のパラメータを変動させるパラメー
タ変動手段とからなることを特徴とするファイバレーザ
装置。
【請求項２】前記パラメータ変動手段は、前記光ファイ
バを外周から圧迫するものであることを特徴とする請求
項１記載のダブルクラッド構造ファイバレーザ装置。
【請求項３】前記パラメータ変動手段は、前記光ファイ
バを巻いて保持する小径ボビンであることを特徴とする
請求項１記載のダブルクラッド構造ファイバレーザ装
置。
【請求項４】前記パラメータ変動手段は、光ファイバを
結合するコネクタであることを特徴とする請求項１記載
のダブルクラッド構造ファイバレーザ装置。
【請求項５】前記パラメータ変動手段は、屈折率変調し
た内側クラッドであることを特徴とする請求項１記載の
ダブルクラッド構造ファイバレーザ装置。
【請求項６】前記パラメータ変動手段は、内側クラッド
に結合された分岐であることを特徴とする請求項１記載
のダブルクラッド構造ファイバレーザ装置。