JP2005011888A

JP2005011888A - エルビウム添加光ファイバ、光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP2005011888A
Application number: JP2003172188A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Seki; 武瀬木; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】本発明は、比較的短い長さで高いレーザ出力が得られるエルビウム添加光ファイバ及び光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】本発明のエルビウム添加ガラスファイバは、コアの直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上である構成とする。また、本発明は、エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザであって、前記エルビウム添加ガラスファイバが、コア半径が１０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上である構成とする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした光ファイバレーザに関し、特に２．８μｍ帯のレーザ光を高出力で発振する光ファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用途を中心として、発振波長が、水の吸収帯域である２．９μｍ帯域のレーザが利用されている。この２．９μｍ帯域のレーザとしては、現在、Ｅｒ添加ＹＡＧ等の固体レーザが歯科治療用として実用化されている。歯科治療で用いられる既存のＥｒ添加ＹＡＧ等の固体レーザの場合、光エネルギーが３００ｍＪ／ｐｕｌｓｅ程度、繰り返し数１０Ｈｚ程度の条件で、平均出力が約３Ｗ程度の２．９μｍ帯域のレーザ光が利用されている。
この２．９μ帯域のレーザとして、エルビウム添加ガラスファイバ（以下、ＥＤＦと言う場合がある。）を利得媒質とした光ファイバレーザが提案されている。この光ファイバレーザとしては、コアの周囲に２重クラッドが設けられた構造（ダブルクラッド構造とも言う。）のシングルモードファイバを用いて、１．７Ｗの光出力が得られた結果が報告されている（非特許文献１参照。）。
光ファイバレーザでは、レーザ光の出力を高めるためには、利得媒体となる光ファイバを長くする必要があり、非特許文献１では、利得媒体の光ファイバの長さが約１０ｍであり、共振器長が従来の固体レーザの１０倍程度となる。
このように、光ファイバが長くなると、共振器長が長くなってしまうため、レーザ光のパルス形状は、ピークパワーが小さく、かつ時間半値幅が広いものとなってしまい、医療用途等に利用できる光学特性を有する２．９μｍ帯域のレーザ光が得られない。
また、治療時間の短縮化のために、２．９μｍ帯域のレーザには更なる高出力化が必要とされており、現在提案されているＥＤＦでは、実用化できる十分な光出力と光学特性を有する２．９μｍ帯域のレーザ光が得られていないのが現状である。
【０００３】
【非特許文献１】
スチュアートＤ．ジャクソン（ＳｔｕａｒｔＤ．Ｊａｃｋｓｏｎ）等，オプティックス・レターズ（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ），オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ（ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ），１９９９年，２４−１６巻，ｐ．１１３３−１１３５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち比較的短い長さで高いレーザ出力が得られるエルビウム添加光ファイバ及び光ファイバレーザを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、コア直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が、原子数で９．０×１０^１６個以上であることを特徴とするエルビウム添加ガラスファイバである。
請求項２に係る発明は、エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザであって、前記エルビウム添加ガラスファイバは、コア直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上であることを特徴とする光ファイバレーザである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の光ファイバレーザの一例を示す概略図である。この光ファイバレーザ１は、励起光源２と、利得媒質のエルビウム添加ガラスファイバ（以下、ＥＤＦとも言う。）３を有する。
励起光源２は、９８０ｎｍ帯のレーザ光４が出射できる半導体レーザモジュール２１から構成される。この半導体レーザモジュール２１のレーザ出射口２１ａと対向するように、集光レンズ５ａが設置されており、半導体レーザモジュール２１から出射された励起用レーザ光４を集光して出射できるようになっている。
【０００７】
ＥＤＦ３は、エルビウム（以下、Ｅｒと言う。）添加フッ化物ガラス、又はＥｒ及びプラセオジム（以下、Ｐｒと言う。）添加フッ化物ガラスから構成され、ダブルクラッド構造を有するマルチモードファイバである。前記ダブルクラッド構造とは、コアの周囲に２重クラッドが設けられたものであり、励起用レーザ光４がコアを取り囲む第１クラッドを伝搬し、発振レーザ光がコアを伝搬できるようになっている。
前記ＥＤＦ３の一例として、フッ化物ガラスのＺｒＦ_４を主成分としたＺＢＬＡＮファイバ（ＺｒＦ_４−ＢａＦ_２−ＬａＦ_３−ＡｌＦ_３−ＮａＦ）にＥｒを添加したもの、又はＥｒ及びＰｒを添加したもの等が挙げられる。
【０００８】
ＥＤＦ中のＥｒの全添加量は９．０×１０^１６以上であり、またコア直径はマルチモード伝送を可能とするため、２０μｍ以上である。
ここで、Ｅｒの全添加量とは、実際に使用されるファイバの全体積中に存在するＥｒの原子数を言う。
このＥｒの全添加量については、ＥＤＦ３から２．８μｍ帯の発振レーザ光６を出射した結果と共に詳細に後述する。
【０００９】
前記ＥＤＦ３は、その一方の端面（以下、入射端面とも言う。）３１が集光レンズ５ａに対向するように配置されている。また、ＥＤＦ３の入射端面３１にはリアミラー７１が蒸着されている。
ＥＤＦ３の他方の端面（以下、出射端面とも言う。）３２は、無反射処理が施され、無反射終端として機能するようになっている。このＥＤＦ３の出射端面３２側にアウトプットカプラ７２が設けられている。アウトプットカプラ７２は、フレネル反射を利用して反射鏡として機能するものや、多層膜ミラーからなるもの等が挙げられる。
前記リアミラー７１とアウトプットカプラ７２は反射鏡であり、ＥＤＦ３を介して対向配置しており、共振器７として機能するようになっている。
【００１０】
ＥＤＦ３の出射端面３２とアウトプットカプラー７２との間には、光チョッパー８と集光レンズ５ｂが設けられている。
光チョッパー８は、ＥＤＦ３から出射された発振レーザ光６をパルス光とする光スイッチとして機能する。なお、光チョッパーの代わりに、音響光学素子（ＡＯ素子）等を用いても構わない。
また、集光レンズ５ｂは、ＥＤＦ３から出射された発振レーザ光６をコリメート光（平行光）とするように機能する。
【００１１】
また、アウトプットカプラー７２の出力側には、無機酸化物等から構成された長波域フィルタ（ｌｏｎｇｗａｖｅｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ）９が設けられ、ＥＤＦ３から出射された発振レーザ光６のうち、例えば２．５６μｍ以上の長波域の光のみが透過されて出力されるようになっている。
【００１２】
励起光源２から９８０ｎｍ帯の励起用レーザ光４を出射すると、この励起用レーザ光４は集光レンズ５ａにて集光され、ＥＤＦ３の入射端面３１に結合される。そして、ＥＤＦ３は入射した励起用レーザ光４によって励起され、２．８μｍ帯のレーザ光６が出射端面３２から出射される。このレーザ光６は、光チョッパー８にてパルス光となり、また集光レンズ５ｂにて平行光となって長周期フィルター９を通り、光ファイバレーザ１から出力される。
【００１３】
次に、ＥＤＦ３のＥｒの全添加量と２．８μｍ帯の発振レーザ光６の光出力との関係について以下に説明する。
ＥＤＦ３では、Ｅｒイオンが励起光によって活性化され反転分布を形成することにより２．８μｍ帯のレーザ光６の発振を可能にしている。このためＥＤＦ３から出射される２．８μｍ帯の発振レーザ光６の光出力は、前記Ｅｒの全添加量によって決定される。
目的とする光エネルギーの２．８μｍ帯の発振レーザ光６を出射するために必要となるＥｒの全添加量は、以下のようにして算出される。
【００１４】
一例として、歯科治療に必要な２．８μｍ帯のレーザ光６の場合を以下に示す。歯科治療に必要な２．８μｍ帯のレーザ光６の最低エネルギーは５．２Ｊ／ｃｍ^２であると報告されている（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，１９９７，３６−２２巻，５６４１−５６４６参照。）。歯科治療で照射する２．８μｍ帯のレーザ光６の最小ビーム径は、一般に約２００μｍであるため、１パルス当たりに必要な光エネルギーは、以下の式（１）で算出される。
（１パルス当たりに必要な光エネルギー）＝５．２×π×０．０２^２＝６．４ｍＪ（１）
【００１５】
Ｅｒイオン１個から２．８μｍの光子１個（光エネルギーは７．１×１０^−２０Ｊ／個）が放出されるとすると、前記式（１）で表された光エネルギーを得るために必要なＥｒの全添加量（個）は、以下の式（２）で表される。
（必要なＥｒの全添加量（個））＝６．４×１０^−３／（７．１×１０^−２０）＝９．０×１０^１６（個）（２）
【００１６】
次に、ＥＤＦ３中のＥｒの全添加量は、Ｅｒ濃度，ＥＤＦ３のコア体積等により以下の式（３）によって表される。
（Ｅｒの全添加量（ｍｏｌ））＝（ＥＤＦをなす物質１ｃｍ^３当たりのモル数）×（Ｅｒ濃度）×（ＥＤＦのコア体積）（３）
【００１７】
ＥＤＦ３の一例としてＥｒ添加ＺＢＬＡＮファイバを挙げると、ＥＤＦをなす物質１ｃｍ^３当たりのモル数は、０．０２９６（ｍｏｌ／ｃｍ^３）である。また、Ｅｒ濃度をＭ（ｐｐｍ／ｍｏｌ）、コア半径をａ（μｍ）、ＥＤＦの長さをｌ（ｍ）とし、Ｅｒの全添加量を個数で表すと、以下の式（４）となる。
（Ｅｒの全添加量（個））＝０．０２９６×（Ｍ×１０^−６）×（πａ^２ｌ×１０^−６）×（６．０２×１０^２３）＝５．６ａ^２ｌＭ×１０^１０（４）
【００１８】
式（４）で表されるＥｒの全添加量が、前記式（２）の値となるとき、以下の式（５）が得られる。ここで、Ｅｒ添加ＺＢＬＡＮファイバでは、通常、Ｅｒ濃度Ｍは１００００（ｐｐｍ／ｍｏｌ）であるため、Ｍ＝１００００とした。また、小数点以下は切り捨てて計算した。
ａ^２ｌ＝１６０（５）
【００１９】
図２は、前記式（５）を満たすＥＤＦ３の長さ（ｌ）とコア半径（ａ）との関係を示す図である。
例えば、コアの直径が１８μｍ、長さが２ｍのとき、前記式（５）を満たすことが分かる。このため、理論上では、コアの直径を１８μｍ以上とすることによって、ＥＤＦ３の長さが２ｍであっても、１パルス当たりの光エネルギーが６．４ｍＪ以上であり、前記した歯科治療に必要な最低エネルギー５．２Ｊ／ｃｍ^２を有する２．８μｍ帯のレーザ光６を得ることができることになる。
【００２０】
図３は、種々のＥＤＦ３を用いた２．８μｍ帯のレーザ１において、１パルス当たりの光エネルギーが６．４ｍＪの２．８μｍ帯のレーザ光６が得られたＥＤＦ３の長さ（ｌ）とコア半径（ａ）との関係を示す。図３中、実線は測定値を用いて得られた近似曲線である。
ここで、図３では、ＥＤＦ３として、Ｅｒ濃度Ｍが１００００（ｐｐｍ／ｍｏｌ）のＥｒ添加ＺＢＬＡＮファイバを用いた。また、励起光源２からの９８０ｎｍ帯の励起用レーザ光４の波長、光出力は一定とした。
コア半径（ａ）が同一のとき、光エネルギーが６．４ｍＪの２．８μｍ帯のレーザ光６が得られるＥＤＦ３の長さ（ｌ）は、図２に示された算出値に比べて、図３の測定結果の方が長い。これは、励起光４の２．８μｍ帯のレーザ光６への変換効率が１００％よりも小さいためである。
【００２１】
図３に示された結果より、コアの直径が２０μｍ以上のとき、ＥＤＦ３の長さが６ｍと従来よりも短い長さで、１パルス当たりの光エネルギーが６．４ｍＪ以上であり、歯科治療に必要な最低エネルギー５．２Ｊ／ｃｍ^２の２．８μｍ帯のレーザ光６が出射できる。
コアの直径を２０μｍ以上と大きくすることによって、単位長さあたりのＥｒの添加量を多くすることができ、短い長さで、高強度の２．８μｍ帯の発振レーザ光６が得られる。
以上のように、ＥＤＦ３が従来よりも短い長さであるため、共振器長が短く、これによりピークパワーが大きく、かつ時間半値幅が狭いスペクトル形状の２．８μｍ帯のレーザ光６が得られる。
このため、本実施形態の２．８μｍ帯の光ファイバレーザ１は、例えば歯科治療などの医療用途などに実用化できる。
【００２２】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、励起光源２として、出射口に口出し用ファイバが設けられ、この口出し用ファイバから励起光２が出射されるものを用い、口出し用ファイバとＥＤＦ３とを突合せ接合（ＢｕｔｔＪｏｉｎｔとも言う。）した構成でもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の光ファイバレーザは、コアの直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであって、エルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上のエルビウム添加ガラスファイバを用いることによって、従来よりも短いエルビウム添加ガラスファイバであっても、高出力の２．８μｍ帯のレーザ光６が出射できる。
また、エルビウム添加ガラスファイバが従来よりも短い長さであるため、共振器長が短く、これによりピークパワーが大きく、かつ時間半値幅が狭いスペクトル形状の２．８μｍ帯のレーザ光が得られる。
このため、例えば歯科治療などの医療用途などに、２．８μｍ帯の光ファイバレーザを実用化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光ファイバレーザの一例を示す概略図である。
【図２】光エネルギーが６．４ｍＪの２．８μｍ帯の発振レーザ光を出射できるＥＤＦの長さとコア半径との関係の算出結果を示す図である。
【図３】光エネルギーが６．４ｍＪの２．８μｍ帯のレーザ光が得られたＥＤＦの長さとコア半径との関係を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥光ファイバレーザ、３‥‥エルビウム添加ガラスファイバ

Claims

コア直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上であることを特徴とするエルビウム添加ガラスファイバ。
エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザであって、
前記エルビウム添加ガラスファイバは、コア直径が２０μｍ以上のマルチモードファイバであり、かつエルビウムの全添加量が原子数で９．０×１０^１６個以上であることを特徴とする光ファイバレーザ。